(57)【要約】【課題】スキャニング面のサイズを大きくすることなく解像度を高めることができる光学走査映像化システムを提供すること。【解決手段】イメージ用ビームを出射する照明系１０と、照明系１０から入射するビームを走査するスキャナ５０と、カー効果を有する物質からなり、スキャナ５０により走査されるイメージビームの経路に沿って自動整列するレンズを形成する非線形光学素子７０と、非線形光学素子７０を活性化し、イメージビームの経路に沿って進行して、レンズを形成する非線形光学素子７０に、非線形光学屈折率変化を誘発するポンピング光源３０とを備える光学走査映像化システム。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージ用ビームを出射する照明系と、
前記照明系から入射するビームを走査するスキャナと、
カー効果を有する物質からなり、前記スキャナにより走査されるイメージビームの経路に沿って自動整列するレンズを形成する非線形光学素子と、
前記非線形光学素子を活性化し、イメージビームの経路に沿って進行して、前記レンズを形成する前記非線形光学素子に、非線形光学屈折率変化を誘発するポンピング光源と、
を備えることを特徴とする光学走査映像化システム。
【請求項２】
前記非線形光学素子は、その中心が前記スキャナの軸中心と一致する円弧に沿った形状であること、
を特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項３】
前記ポンピング光源は、レーザ光源であること、
を特徴とする請求項２に記載の光学走査映像化システム。
【請求項４】
前記ポンピング光源から出射したポンピングビームは、前記イメージ用ビームと同一光路で前記スキャナに入射されること、
を特徴とする請求項２に記載の光学走査映像化システム。
【請求項５】
前記ポンピング光源は、前記照明系から出射されるイメージ用ビームとは異なる波長のポンピングビームを出射すること、
を特徴とする請求項２に記載の光学走査映像化システム。
【請求項６】
前記非線形光学素子により形成されるレンズの焦点距離を調節するために、前記ポンピング光源から出射されるポンピングビームの経路上に、ポンピングビームの強度を変調するポンピングビーム変調器をさらに備えること、
を特徴とする請求項２に記載の光学走査映像化システム。
【請求項７】
前記ポンピング光源から出射され、非線形光学素子を通過したポンピングビームを除去するポンピングビームカッタをさらに備えること、
を特徴とする請求項２に記載の光学走査映像化システム。
【請求項８】
前記スキャナ以前の光路上に前記スキャナに照射されるビームのサイズを小さくするために、集束レンズをさらに備えること、
を特徴とする請求項８に記載の光学走査映像化システム。
【請求項９】
前記ポンピング光源は、レーザ光源であること、
を特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１０】
前記ポンピング光源から出射されたポンピングビームは、前記イメージ用ビームと同一光路で前記スキャナに入射されること、
を特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１１】
前記ポンピング光源は、前記照明系から出射されるイメージ用ビームとは異なる波長のポンピングビームを出射すること、
を特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１２】
前記非線形光学素子により形成されるレンズの焦点距離を調節するために、前記ポンピング光源から出射されるポンピングビームの経路上に、ポンピングビームの強度を変調するポンピングビーム変調器をさらに備えること、
を特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１３】
前記ポンピング光源から出射され、非線形光学素子を通過したポンピングビームを除去するポンピングビームカッタをさらに備えること、
を特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１４】
前記スキャナのビーム進行方向手前の光路上に前記スキャナに照射されるビームのサイズを小さくするための集束レンズをさらに備えること、
を特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１５】
前記ポンピング光源から出射されるポンピングビームの経路上に配置され、前記非線形光学素子により形成されるレンズの焦点距離を調節するためにポンピングビームの強度を変調するポンピングビーム変調器と、
前記ポンピング光源から出射され、非線形光学素子を通過したポンピングビームを除去するポンピングビームカッタと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１６】
前記照明系は、レーザ光源を使用するレーザ照明系であること、
を特徴とする請求項１から請求項１５のうちいずれか１項に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１７】
前記照明系は、画像信号によって変調されたＲ、Ｇ、Ｂの各レーザビームを含む波長別複数のレーザビームを単一光路で出射すること、
を特徴とする請求項１６に記載の光学走査映像化システム。
【請求項１８】
請求項１から請求項１５のうちいずれか１項に記載の光学走査映像化ステムを備えること、
を特徴とする光走査装置。
【請求項１９】
前記走査光学イメージシステムの照明系は、レーザ光源を使用するレーザ照明系であること、
を特徴とする請求項１８に記載の光走査装置。
【請求項２０】
前記照明系は、画像信号によって変調されたＲ、Ｇ、Ｂの各レーザビームを含む波長別複数のレーザビームを単一光路で出射すること、
を特徴とする請求項１９に記載の光走査装置。
【請求項２１】
請求項１から請求項１５のうちいずれか１項に記載の光学走査映像化システムを備え、プロジェクションイメージを形成すること、
を特徴とするプロジェクション装置。
【請求項２２】
前記光学走査映像化システムの照明系は、レーザ光源を使用するレーザ照明系であること、
を特徴とする請求項２１に記載のプロジェクション装置。
【請求項２３】
前記照明系は、画像信号によって変調されたＲ、Ｇ、Ｂの各レーザビームを含む波長別複数のレーザビームを単一光路で出射すること、
を特徴とする請求項２１に記載のプロジェクション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学走査映像化ステムに係り、さらに詳細には、解像度を向上させることができるように改善された光学走査映像化システム、これを用いた光走査装置及びプロジェクション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチメディア社会への急進展と共に、表示画面の大型化及び高画質化が要求されている。最近では、高い解像度に加え、さらに自然な色の具現が重要視されている。
完璧な自然色の具現のためには、レーザのような色純度の高い光源の利用が必須である。レーザを利用して画面を具現する装置のうちの一つが、スキャナを利用した光学走査レーザ映像化システムである。光学走査方式のレーザ映像化システムは、ポリゴンミラーとガルバノメータミラー（galvanometer mirror）とを主に利用している。しかし、かかるポリゴンミラーとガルバノメータミラーとを利用した光学走査方式のレーザ映像化システムは、小型化が困難であり、かつ、高コストである。
【０００３】
かかる点を勘案し、本出願人は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを利用したレーザイメージシステムを提案した（特許文献１を参照）。
ＭＥＭＳスキャナを利用したレーザ映像化システムは、小さな形体要素、低電力消費及び自然な色表現のための有望なプロジェクションディスプレイ装置の１つである。
ＭＥＭＳスキャナを適用して、大画面−高解像レーザ映像化システムを具現するためには、十分な走査速度、走査角度及びミラーサイズが要求される。
【０００４】
レーザ光は、コヒーレント（coherent）な光であるために、レーザビームの幅が細くなるほど進行するにしたがって回折が多く発生するため、レーザビームの幅を究極に細くすることはできない。また、公知のように、光ビームは、回折特性によって点にフォーカスされず、それにより解像度限界が存在する。また、レンズシステムに入射される光ビームのサイズが大きければ、フォーカスされる光ビームのサイズは小さくなる。
【０００５】
従って、解像度を高めようとするためには、光ビームのサイズを適切に大きくする必要があり、高解像度の画像を具現するためには、値の大きいスキャニング周波数及びθＤ値が必要である。レーザビーム走査光学システムでの映像解像度は、平行ビームの径Ｄとビーム走査角度θとの積（θＤ）として表す光学的な不変量によって決定される。
【０００６】
ラスター走査システムの性能は、θＤ［ｄｅｇ・ｍｍ］として定義される。ＶＧＡ（Video Graphics Array）クラス及びＸＧＡ（eXtended Graphics Array）クラスは、それぞれθＤが７．５０及び１２．００程度、要求され、高精細（ＨＤ：High Definition）クラスのディスプレイを具現しようとするなら、このθＤ積は、２２．５程度が要求されることが知られている。
ここで、θは、一方向へのスキャナの機械的な走査角度（単位：degree）であり、Ｄは、ビーム幅、すなわち、レーザスキャニング装置では、スキャナの有効ミラーサイズ（単位：mm）に相当する。
【０００７】
高解像イメージシステムを実現しようとするなら、ＭＥＭＳスキャナのミラーサイズが大きいことが要求される。また、大画面高解像レーザイメージシステムを具現するためには、走査速度が速くなければならない。
しかし、ミラーのサイズを大きくすれば、反対に慣性モーメントのような物理的な性質に起因し、ＭＥＭＳスキャナの最大駆動速度を速くすることは難しく、それにより走査速度が遅くなってしまう。従って、走査速度を速めつつ、同時にミラーのサイズを大きくすることには困難さが伴う。
また、ＭＥＭＳスキャナによる走査角度を無限に大きくできず、その走査角度は、限定される。
【０００８】
超小型の高性能レーザビームプロジェクションディスプレイを具現するために、高速スキャニングが可能であるＭＥＭＳスキャナが有力なビームスキャニングディバイスとして考慮されるが、素子設計時に駆動速度、駆動角度、及び反射ミラーの大きさの間にトレードオフ（trade-off）の関係が存在し、高解像度映像具現のための高速のＭＥＭＳスキャナをデザインすることは難しい。現在のＭＥＭＳ製造技術において、十分なミラーサイズを確保しつつ、高精細クラスの高解像ディスプレイを実現するために十分な走査速度及び走査角度を達成できるＭＥＭＳスキャナを実現することは困難である。
【０００９】
【特許文献１】米国特許６，６３６，３３９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記のような点を勘案して案出され、スキャニング面のサイズを大きくすることなく解像度を高めることができるように改善された光学走査映像化システムを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した目的を達成するためになされた本発明による光学走査映像化システムは、イメージ用ビームを出射する照明系と、前記照明系から入射するビームを走査するスキャナと、カー効果を有する物質からなり、前記スキャナにより走査されるイメージビームの経路に沿って自動整列するレンズを形成する非線形光学素子と、前記非線形光学素子を活性化し、イメージビームの経路に沿って進行して、前記レンズを形成する前記非線形光学素子に、非線形光学屈折率変化を誘発するポンピング光源とを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記非線形光学素子は、その中心が前記スキャナの軸中心と一致する円弧に沿った形状であることが望ましい。
また、前記照明系は、レーザ光源を使用するレーザ照明系であることが望ましい。
また、前記照明系は、画像信号によって変調されたＲ、Ｇ、Ｂの各レーザビームを含む波長別複数のレーザビームを単一光路で出射するように形成可能である。
【００１３】
また、前記ポンピング光源は、レーザ光源であることが望ましい。
また、前記ポンピング光源から出射したポンピングビームは、前記イメージ用ビームと同一光路で前記スキャナに入射されることが望ましい。
【００１４】
また、前記ポンピング光源は、前記照明系から出射されるイメージ用ビームとは異なる波長のポンピングビームを出射することが望ましい。
さらに、前記非線形光学素子により形成されるレンズの焦点距離を調節するために、前記ポンピング光源から出射されるポンピングビームの経路上に、ポンピングビームの強度を変調するポンピングビーム変調器をさらに備えることが望ましい。
【００１５】
また、前記した特徴を少なくとも１つを含む光学走査映像化システムは、光走査装置に適用することができる。
さらに、前記した特徴を少なくとも１つを含む光学走査映像化システムは、プロジェクション装置にプロジェクションイメージを形成させるために適用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による光学走査映像化システムは、スキャナと投射光学系との間に、カー効果を有する物質からなり、スキャナにより走査されるイメージビームの経路に沿って、自動整列するレンズを形成する非線形光学素子を備えることにより、スキャニング面のサイズを大きくせずとも解像度を高めることができる。
従って、本発明によれば、スキャナの物理的なサイズに制約を受けずに解像度を高めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照しつつ、本発明による光学走査映像化システムの望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
はじめに、本発明の原理について説明する。
スキャナのミラー面の径をＤ、スキャナのミラー面に入射される光ビームの入射角をδとするとき、スキャナの有効径Ｄｍｉｎは、Ｄｍｉｎ＝Ｄｃｏｓδとなる。スキャナにより走査された光ビームの分解可能な限界解像度角度をθｍｉｎとするとき、限界解像度角度は、円形光ビームについては、θｍｉｎ＝１．２２λ／Ｄｍｉｎになり、正四角形光ビームについては、θｍｉｎ＝λ／Ｄｍｉｎになる。
【００１９】
スキャナミラー面の最大チルト角を±θｍａｘとするとき、円形光ビームについて分解可能なピクセルの最大理論的な個数Ｎは、数式（１）のように表せる。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
ここで、図１は、従来技術による分解可能な最小単位画素の定義を説明する図面である。
図１に示すように、スキャナ１により反射され、像面または物体面に照射される光ビームのスポット径をａとするとき、スキャナ１により走査される光ビームの限界解像度角度θｍｉｎは、スポット中心間の間隔が半径ａだけ離隔される角度をいう。そして、分解可能な最小単位画素のサイズは、像平面または物平面に照射される光ビームスポットの半径に相当する。ここで、像平面は、プロジェクションシステムでのスクリーンや光走査装置を使用するイメージシステムのイメージ面、例えば、プリンタの感光媒体面に相当する。また、物平面は、プロジェクションシステムで液晶表示素子のような画像形成機が配置される位置に相当する。
【００２２】
次に、図２は、本発明による解像度を向上させる概念を説明する図面である。
本発明は、図２に示すように、スキャナ１と、像平面または物平面との間に解像度を向上させるための光学系、すなわちレンズ部材５を配置することにより、スキャナ１により決まる解像度限界よりも、高い解像度で像平面または物平面に光ビームスポットを形成できる構成を有する。
【００２３】
このレンズ部材５は、後記するように、カー効果を有する物質からなり、スキャナ１により走査されるイメージビームの経路に沿っており、自動整列するレンズを形成する非線形光学素子から構成することができる。図２では、レンズ部材５をレンズ状に示してあるが、これは機能的な形状を示しているに過ぎず、実際の形状を特定するものではない。
【００２４】
図１に示した配置に比べて、図２に示した配置のように、スキャナ１と像平面または物平面との間に解像度を向上させるためのレンズ部材５を配置すると、スキャナ１をθｍｉｎだけ回動または回転させる間に、像平面または物平面に分解可能な光ビームスポットがいくつか形成され、図１に示した方法に比べてさらに多くの最小単位画素に分解することが可能である。すなわち、図２に示した配置のようにレンズ部材５を備えれば、図１に示した配置に比べ、最小単位画素サイズを小さくできる。従って、かかる本発明の原理を適用すれば、光学走査映像化システムの解像度を向上させることができる。
【００２５】
次に、図３は、本発明の一実施形態による光学走査映像化システムの概略的な構成図である。
図３を参照して、本実施形態による光学走査映像化システムは、イメージ用可視光ビームを出射する照明系１０と、照明系１０から入射された光ビームを走査するスキャナ５０と、カー効果を有する物質からなり、スキャナ５０により走査されるイメージビームの経路に沿っており、自動整列するレンズを形成する少なくとも１つの非線形光学素子７０、すなわちカーレンズ（Kerr lens）と、非線形光学素子７０を活性化させるポンピング光源３０とを備えて構成される。スキャナ５０により走査されたビームイメージは、投射光学系１００により像平面（またはスクリーン）に投影される。
【００２６】
照明系１０は、レーザ光源を使用するレーザ照明系であることが望ましい。照明系１０は、図３に示すように、波長別に複数のレーザ光を、光路を異ならせて出力する複数のレーザ光源と、この複数のレーザ光源から出力される相異なる波長のレーザ光の光路を結合するための色光結合器（Color Light Coupler）２０とを備えることができる。
【００２７】
この複数のレーザ光源は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各レーザ光を、光路を分離して出力する第１レーザ光源１１、第２レーザ光源１３及び第３レーザ光源１５を備えることができる。
これらの第１レーザ光源１１、第２レーザ光源１３及び第３レーザ光源１５としては、固体レーザまたは半導体レーザを用いることができる。第１レーザ光源１１、第２レーザ光源１３及び第３レーザ光源１５の前には、各波長のレーザビームを画像信号によって変調させるビーム強度変調器（１２，１４，１６）を配置することができる。
【００２８】
ここで、第１レーザ光源１１、第２レーザ光源１３及び第３レーザ光源１５として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長のレーザビームを出射し、画像信号によって各波長のレーザビーム出力を変調させて出力できる半導体レーザを備えることも可能である。その場合、図３のビーム強度変調器（１２，１４，１６）は省略することができる。
【００２９】
色光結合器２０は、例えば、第１二色ミラー（dichromatic mirror）２１、第２二色ミラー２３及び第３二色ミラー２５を備えることができる。図３を参照して説明すれば、第１二色ミラー２１は、第１レーザ光源１１から出射される赤色レーザビームＲを反射させる。第２二色ミラー２３は、第２レーザ光源１３から出射される緑色レーザビームＧを反射させ、第１二色ミラー２１側から入射される赤色レーザビームＲは透過させ、赤色及び緑色レーザビーム（Ｒ＋Ｇ）の光路を一致させる。第３二色ミラー２５は、第３レーザ光源１５から出射される青色レーザビームＢを反射させ、第２二色ミラー２３側から入射される赤色及び緑色レーザビーム（Ｒ＋Ｇ）は透過させ、赤色、緑色及び青色レーザビーム（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）の光路を一致させる。この色光結合器２０により、第１レーザ光源１１、第２レーザ光源１３及び第３レーザ光源１５から出射される赤色レーザビームＲ、緑色レーザビームＧ及び青色レーザビームＢは、その光路が重ね合わされてスキャナ５０に入射される。ここで、第１二色ミラー２１の代わりに全反射ミラーを配置することも可能である。
【００３０】
前記の通りに、レーザ光源を使用する照明系１０は、画像信号によって変調された波長別に複数のレーザビーム、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各レーザビームを単一光路で出射する。
ここで、図３では、照明系１０がＲ，Ｇ，Ｂの各レーザ光を出射する３個のレーザ光源を備える場合を示すが、これは例示に過ぎず、照明系１０の構成は多様に変形可能である。
【００３１】
また、スキャナ５０としては、入射ビームを両方向にスキャニング可能なスキャナを備えることが望ましい。代案として、スキャナ５０として１方向にスキャニングするスキャナを備えることも可能である。この両方向にスキャニング可能なスキャナには、ＭＥＭＳスキャナまたはガルバノメータミラースキャナがある。また、単方向にスキャニング可能なスキャナには、複数のスキャニングミラー面を備えるポリゴンミラーがある。図３に示した光学走査映像化システムでは、スキャナ５０として、ＭＥＭＳスキャナを備える場合を例示的に示している。
【００３２】
さらに、スキャナ５０には、照明系１０からのイメージ用ビームだけではなく、後記するように、ポンピング光源３０からのポンピングビームも入射されるために、高強度ポンピングビームの出力により、スキャナ５０のミラー面が損傷されないように、ミラー面は、全反射コーティングされていることが望ましい。
【００３３】
次に、投射光学系１００としては、投射レンズユニットのような像転送光学系を用いることができる。また、投射光学系１００として、Ｆθレンズを用いることも可能である。
【００３４】
前記した本実施形態の光学走査映像化システムは、プロジェクション装置や光走査装置のような光学装置に適用可能である。
すなわち、本実施形態の光学走査映像化システムは、投射光学系として像転送光学系などを、一次元または二次元プロジェクションイメージを形成するプロジェクション装置、例えば、プロジェクタまたはプロジェクションテレビのようなプロジェクションディスプレイや、ユーザの網膜にイメージを形成するヘッドマウントディスプレイシステムに適用することができる。投射レンズユニットについては、プロジェクション装置分野で公知であるため、ここではその詳細な説明は省略する。
【００３５】
また、本実施形態の光学走査映像化システムは、投射光学系として、Ｆθレンズを備え、プリンタのような画像形成装置の光走査装置として使用することもできる。このとき、光走査装置は、画像を両方向に走査する。
【００３６】
ところで、前記非線形光学素子７０は、カー効果を示す物質からなされる。カー効果は、三次非線形光学係数の大きい物質に高強度の光を入射した場合、光の強度に比例して物質の屈折率変化が発生する現象である。
【００３７】
図４は、カー効果を示す物質からなる非線形光学素子７０における自己集束（self-focusing）原理及び自己発散（self-defocusing）原理を説明するための図面である。図４では、非線形光学素子７０の一部分だけを示している。
図４を参照すれば、このようなカー効果を示す物質からなる非線形光学素子７０に、空間的な強度分布を有するビーム、例えば、ポンピング光源３０からのポンピングビームが入射する場合、媒質の屈折率変化もこれに対応する空間的な分布を有するようになる。もし、光ビームの強度分布が軸対称であり、放射方向に適切な分布を有する場合、誘導される非線形屈折率変化量△ｎ（ｒ）の大きさも、やはり、かかる光の強度分布Ｉ（ｒ）に比例する。ここで、ｒは、ビームの中心軸からの距離を表す。
【００３８】
図４は、非線形光学素子７０に入射した光ビームが、ガウスＴＥＭ００モードのレーザ光であるとき、非線形光学素子７０にこれと類似の屈折率変化分布が誘導される場合を示す。このように誘導される非線形屈折率変化量により、非線形光学素子７０の媒質は、凸（または凹）レンズのような役割を果たし、これを自己フォーカシング（または自己デフォーカシング）現象という。図４では、ガウスＴＥＭ００モードの強度分布を有する平行ビームが非線形光学素子７０に入射されるとき、非線形光学素子７０が自己フォーカシングにより、凸レンズとして役割を果たす場合を示す。
【００３９】
非線形屈折率変化量△ｎ（ｒ）が正値である場合、すなわち、光の強度が大きいほど屈折率が大きい場合、非線形光学素子７０は、凸レンズとして役割を果たす。反対に、非線形屈折率変化量△ｎ（ｒ）が負である場合、すなわち、光の強度が大きいほど屈折率が小さい場合、非線形光学素子７０は、凹レンズとして役割を果たす。
【００４０】
従って、非線形光学素子７０の材質を適切に選択すれば、非線形光学素子７０は、凸レンズ及び凹レンズのいずれかの役割を果たす。
【００４１】
一方、本発明による光学走査映像化システムにおいて、非線形光学素子７０は、ビーム経路の歪曲を最小化できるように、図３に示したように、その中心がスキャナ５０の回動中心と一致する円の弧に沿った形状であることが望ましい。
また、ポンピング光源３０は、レーザ光源であることが望ましい。さらに、ポンピング光源３０は、照明系１０から出射されるイメージ用ビームとは異なる波長のポンピングビームを出射することが望ましい。
【００４２】
本発明による光学走査映像化システムにおいて、ポンピングビームは、イメージビームと一致した経路に沿ってスキャナ５０に入射され、これにより、ポンピングビームがイメージビームの経路に沿って進行し、非線形光学素子７０に照射されることが望ましい。
【００４３】
このために、本発明による光学走査映像化システムは、ポンピング光源３０から出射されたポンピングビームは反射させ、照明系１０から進む光ビームを透過させてその経路を一致させる光路結合器、例えば、二色ミラー２７をさらに備えることもできる。
この場合、ポンピングビームは、イメージ用ビームと一致する経路に沿ってスキャナ５０に入射され、そのスキャナ５０により走査され、イメージビームの経路に沿って進行し、非線形光学素子７０に非線形光学屈折率変化を起こし、それにより、非線形光学素子７０がイメージビームの経路に沿って配置され、レンズとして作用を果たす。
【００４４】
図５は、ポンピングビームのないとき及びポンピングビームが存在するときに、非線形光学素子７０を通過したビームの経路変化を比較して示す図面である。図５において、点線で示すように、ポンピングビームがないときには、非線形光学素子７０は、レンズとして作用せず、これにより、光ビームの発散角は、全く変化しない。一方、図５において、実線で示すように、非線形光学素子７０にレンズを形成する非線形屈折率変化を起こすようにポンピングビームが照射される場合、非線形光学素子７０は、レンズとして作用し、これにより、光ビームの発散角が変化する。図５では、スキャナ５０側から発散ビームが非線形光学素子７０に入射され、非線形光学素子７０が入射される発散ビームを集束する凸レンズとして役割を果たす場合を示す。
【００４５】
前記のような本発明による光学走査映像化システムにおいて、レンズを形成する非線形屈折率変化を起こすように非線形光学素子７０、すなわちカーレンズは、ポンピングビームの波長には良好に反応するが、イメージビーム（例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂビーム）に対しては、非線形特性が現れない材質からなることが望ましい。すなわち、非線形光学素子７０は、イメージビームの波長及び強度範囲では、レンズ効果を示さない波長選択性を有する材質からなることが望ましい。
【００４６】
カー効果が現れる物理的な原因は、さまざまな要素（熱的要素、分子の再配列、電子的な要素など）があり、高解像度映像の具現が映像画素に対応する画素周波数が高いので、高速応答性のあるカー媒質が有利である。一般的に、熱物理的な原因を有する材質の反応時間が最も長く、分子再配列の物理的な原因を有する材質の反応時間が中間、電子的に物理的な原因を有する材質の反応時間が最も短い。従って、反応時間の側面では、電子的に物理的な原因を有するカー材質が非線形光学素子７０として使われることが最も望ましい。
【００４７】
また、非線形光学素子７０は、イメージ用可視光レーザビームとポンピングレイザビームとに対する非線形特性の波長選択性があり、可視光に対しては、透明でありつつも可視光に対する屈折率変化が誘発される物質からなることが望ましい。また、非線形光学素子７０は、非線形光学現象の応答速度が十分速く、ポンピングビームパワー領域で十分な非線形光学屈折率変化を誘発できる、高い三次非線形光学係数を有する物質からなることが望ましい。
【００４８】
前記ポンピング光源３０、すなわち、ポンピングレーザは、非線形光学素子７０に十分な光学屈折率の変化を誘発できるレベルの光出力を有する必要があり、イメージビームとは、波長が異なっていなければならない。また、ポンピング光源３０は、非線形光学素子７０により形成されるレンズの焦点距離の調節のために、後記するポンピングビーム強度変調器３５を装着可能であることが望ましい。
【００４９】
非線形光学素子７０を形成するために使用可能なカー効果を示す媒体及びそれに適したポンピング光源の例として、以下のようなものが挙げられる。
【００５０】
（ａ）ＣＳ２（液体二硫化炭素）＋Ｎｄ：ＹＡＧポンピングレーザ
（ｂ）半導体ゲイン媒体＋連続発振（ｃｗ）またはパルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
（ｃ）純粋なネマチック液晶（ＮＬＣｓ）またはダイ（またはＣ６０）がドーピングされたＮＬＣｓ＋ｃｗ可視光／ＵＶレーザ
（ｄ）無機物がドーピングされたハイブリッドガラス＋可視光レーザ
【００５１】
一方、走査中心軸からの距離により、非線形光学素子７０から像平面、例えば、スクリーンまでの間隔が変わるために、非線形光学素子７０により形成されるレンズの焦点距離が一定である場合、走査中心軸からの距離により、全体像平面上でのスポットサイズが変わる。例えば、像面のエッジ部分でのスポットサイズが像平面の中心部分でのスポットサイズより大きくなる。これは、非線形光学素子７０が像面の中心部分で焦点を結ばせる焦点距離を有するならば、像平面のエッジ部分では、像平面が焦点を過ぎた所に位置するようになるためである。
【００５２】
従って、像平面全体にわたって固定されたスポットサイズが維持されうるように、本発明による光学走査映像化システムは、ポンピングビーム強度を制御することにより、像面上のいかなる位置でも同一サイズのスポットが形成できるように、非線形光学素子７０の焦点距離を調節可能であることが望ましい。
【００５３】
このために、本発明による光学走査映像化システムは、ポンピング光源３０から出射されるポンピングビームの進路上に、像面上のいかなる位置でも同一サイズのスポットが形成され、かつ、非線形光学素子７０の焦点距離が調節されるようにポンピングビームの強度を変調するポンピングビーム変調器３５をさらに備えることが望ましい。これにより、像平面全体にわたって固定されたスポットサイズを維持できる。
【００５４】
前記の通りに、ポンピングビーム変調器３５を備える簡単な構成の追加により、像平面上のいかなる位置でも、同一サイズのスポットが形成されるように、非線形光学素子７０に照射されるポンピングビームの強度を変調できるので、本発明による光学走査映像化システムは、スポットサイズが変わるという問題を解決するために要求される複雑な補正光学システムが不要であり、光学的構成が簡単になるという利点がある。
一方、本発明による光学走査映像化システムは、非線形光学素子７０を通過したポンピングビームを除去するために、非線形光学素子７０と投射光学系１００との間に、ポンピングビームカッタ９０をさらに備えることが望ましい。このポンピングビームとイメージ用ビームの波長とが相異なるので、ポンピングビームカッタ９０としては、イメージ用ビームは透過させ、ポンピングビームは遮断するバンドエッジフィルタを備えることが望ましい。
【００５５】
一方、本発明による光学走査映像化システムでは、図３に示すように、スキャナ５０よりも手前の光路上に、スキャナ５０に照射される光ビームのサイズを小さくすることができるように、集束レンズ４０をさらに備えることができる。この集束レンズ４０は、１枚または複数のレンズからなり、照明光学系１０に含んで構成してもよい。このように、集束レンズ４０によりスキャナ５０に照射されるビームサイズを収束する場合には、スキャナ５０、例えば、ＭＥＭＳスキャナのミラー面のサイズをさらに小さくできるという利点がある。
【００５６】
前記のような本発明による光学走査映像化システムでの解像度が高まる効果を、スキャナ５０に入射するイメージ用ビームが、非線形光学素子７０の手前の第１焦点面Ｐ１にフォーカシングされる非平行光ビームである光学的構成を有する場合を、以下に説明する。
【００５７】
図６及び図７は、それぞれ本発明による光学走査映像化システムのイメージ用ビームの光路の例を示す平面図及び側面図である。便宜上、ポンピング光源３０、ポンピングビームカッタ９０及びポンピングビームの図示は省略した。
図６及び図７を参照すれば、照明光学系１０から照射される可視光レーザビームは、集束レンズ４０により第１焦点面Ｐ１にフォーカシングされる。
非線形光学素子７０は、ポンピングビームを照射することによって得られるレンズ効果により、第１焦点面Ｐ１を過ぎて発散する光ビームを第１焦点面Ｐ１でのビームウェストより小さなビームウェストで第２焦点面Ｐ２にフォーカシングする。
【００５８】
このとき、図８及び図９の比較から分かるように、非線形光学素子７０を備えれば、非線形光学素子７０を備えていない場合に比べ、第２焦点面Ｐ２でのビームウェストを第１焦点面Ｐ１でのビームウェストより小さくすることができるために、最小単位画素サイズを小さくでき、これによって解像度が向上する。
なお、図８は、非線形光学素子７０を備えていない場合の第１焦点面Ｐ１でのビームウェストを示す。また、図９は、非線形光学素子７０を備える場合、非線形光学素子７０の焦点位置である第２焦点面Ｐ２でのビームウェストが、第１焦点面Ｐ１でのビームウェストに比べて小さくなることを示す。
【００５９】
図８の場合、第１焦点面Ｐ１が物体平面になる。図９の場合、第２焦点面Ｐ２が物体平面になる。すなわち、第１焦点面Ｐ１は、非線形光学素子７０を備えていないときの既存物体平面に相当し、第２焦点面Ｐ２は、第１焦点面Ｐ１と投射光学系１００との間に非線形光学素子７０を備えることにより得られる新しい物体平面である。
このとき、本発明による光学走査映像化システムによれば、図９から分かるように、ポンピングビーム変調器３５により非線形光学素子７０に照射されるポンピングビームの強度を調節し、中心軸から位置によって非線形光学素子７０により形成されるレンズ７０’の焦点距離を変化させることにより、第２焦点面Ｐ２を、スクリーンのような像平面と同一の平面とすることができるので、焦点面Ｐ２を過ぎて透過光学系１００により像平面に形成されるスポットのサイズを均一に維持できる。図９でレンズ７０’は、非線形光学素子７０に形成されるレンズを仮想的に示すものである。
【００６０】
一方、第２焦点面Ｐ２は、液晶表示素子（ＬＣＤ）プロジェクタなどでのＬＣＤ画像形成器などがおかれる物体平面に相当する。第２焦点面Ｐ２に具現される仮想的な画像イメージは、投射光学系１００に適用されるイメージリレイ光学系によりスクリーンに形成される。スクリーンは、プロジェクション装置の投射画像を示すための一般的なスクリーンに相当する。また、プロジェクション装置がヘッドマウント方式である場合、前記スクリーンは、ユーザの網膜に相当する。
【００６１】
ここで、非線形光学素子７０を備えていない場合には、第１焦点面Ｐ１が物体平面になり、この第１焦点面Ｐ１がＬＣＤプロジェクタなどでのＬＣＤ画像形成器素子などが位置するところに相当する。
【００６２】
前記のような本発明による光学走査映像化システムによれば、非線形光学素子７０により物体平面にフォーカシングされる光ビームのビームウェストをさらに小さくすることができるために、最小単位画素サイズを小さくでき、これによりスキャナ５０のスキャニング面のサイズを大きくせずとも解像度を向上させることができる。
【００６３】
以上、説明した実施形態では、図３に示した構成を例にとり、本発明による光学走査映像化システムについて説明したが、本発明による光学走査映像化システムは、多様な変形及び均等な他の実施形態が具現可能である。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の光学走査映像化システムは、例えば、画面表示関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】分解可能な最小単位画素の定義を示す図面である。
【図２】本発明による解像度を向上させる概念を示す図面である。
【図３】一実施形態による光学走査映像化システムの概略的な構成図である。
【図４】カー効果を表す物質からなる非線形光学素子での自己フォーカシングまたは自己デフォーカシングの原理を説明するための図面である。
【図５】ポンピングビームのないとき、及びポンピングビームが存在するときの非線形光学素子を通過したビームの経路変化を比較して示す図面である。
【図６】光学走査映像化システムのイメージ用ビームの光路図の例を示す平面図である。
【図７】光学走査映像化システムのイメージ用ビームの光路図の例を示す側面図である。
【図８】非線形光学素子を備えていない場合の第１焦点面Ｐ１でのビームウェストを示す図面である。
【図９】非線形光学素子を備える場合、非線形光学素子の焦点位置の第２焦点面Ｐ２でのビームウェストが第１焦点面Ｐ１でのビームウェストに比べて小さくなることを示す図面である。
【符号の説明】
【００６６】
１，５０  スキャナ
５      レンズ部材
１０    照明系
１１    第１レーザ光源
１２，１４，１６  ビーム強度変調器
１３    第２レーザ光源
１５    第３レーザ光源
３０    ポンピング光源
３５    ポンピングビーム強度変調器
４０    集束レンズ
７０    非線形光学素子
７０’  レンズ
９０    ポンピングビームカッタ
１００  投射光学系
【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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