(57)【要約】    【課題】  高速に直線走査を行ない、小型で高解像度にする。    【解決手段】  波長６３３ｎｍの赤色レーザ光ビーム１０３を発する面発光型半導体レーザ１０１を設け、レーザ光ビーム１０３を平行光ビーム１０５に変換するコリメートレンズ１０４を設け、回転軸１０２を回転駆動する回転駆動ユニット１１０を設け、回転軸１０２に透明ディスク１０６を取り付け、透明ディスク１０６の厚みを、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に増加させ、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加（減少）させる。【選択図】        図１
2005241941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する第１の透明ディスクに光ビームを入射させ、上記光ビームを一次元的に偏向する光ビーム走査装置であって、上記第１の透明ディスクの厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に増加もしくは減少し、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加もしくは減少することを特徴とする光ビーム走査装置。
【請求項２】
回転する第２の透明ディスクに光ビームを入射させ、上記光ビームを一次元的に偏向する光ビーム走査装置であって、上記第２の透明ディスクの厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁の範囲にわたり同一であり、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において周期的に増加もしくは減少することを特徴とする光ビーム走査装置。
【請求項３】
回転する第１の透明ディスクおよび第２の透明ディスクに光ビームを入射させ、上記光ビームを二次元的に偏向する光ビーム走査装置であって、上記第１の透明ディスクの厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に増加もしくは減少し、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加もしくは減少し、上記第２の透明ディスクの厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁の範囲にわたり同一であり、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において周期的に増加もしくは減少することを特徴とする光ビーム走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザプロジェクタを始めとする投影型ディスプレイ分野等にて使用される光ビーム走査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ビームを二次元走査する光ビーム走査装置としては、ガルバノミラーとポリゴンミラーとを用いた偏向装置がよく知られている。この偏向装置においては、光源から発したレーザ光ビームをレンズ等の光学系を用いて平行光ビームに変換したのち、ガルバノミラーに照射する。ガルバノミラーは一つの軸に対して回転往復運動を行ない、光ビームを一つの軸方向（Ｘ方向とする）に走査する。続いて、Ｘ方向に偏向された光ビームは、Ｘ軸と平行に回転軸をもつポリゴンミラーに照射され、Ｙ方向にも走査される。ガルバノミラーおよびポリゴンミラーの回転を正確に同期制御することで、スクリーン上に光ビームの二次元走査が実現される。この方式は走査方式が単純であるために、レーザーショーやレーザプリンタ、レーザスキャナなどにおいて広く実用化されている。
【０００３】
また、図１１に示すように、従来ウェッジプリズムを２枚用いて光ビームを二次元に偏向する光ビーム走査装置（特許文献１）がある。この光ビーム走査装置は、光ファイバ７０５から発したレーザビームを平行な光ビームに変換するマイクロレンズ７０６が設けられ、ウェッジプリズム７０１、７０２とがそれぞれホルダー（図示せず）に保持され、マイクロモータ７０３、７０４によってウェッジプリズム７０１、７０２が独立して回転する構造となっている。これらのウェッジプリズム７０１、７０２を互いに別々の速度で回転させると、光ビーム７０７は図１２に示すように、ウェッジプリズム７０１を回転させたときに生ずる円８０１上をウェッジプリズム７０２の回転により生ずる円８０２の中心が通るような軌跡を描き、円８０３の内部をくまなく走査することが可能である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２１７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ガルバノミラーとポリゴンミラーとを用いた従来の光ビーム走査装置は、これら２つのミラーはいずれもサイズが大きいために慣性が大きく、ミラー面方向を瞬時に停止したり駆動させたりすることができない。したがって、光ビームの偏向角は連続的に変化されるよう制御されることが通常であり、一筆書き方式とも呼ばれるベクトル走査方式のみしか行なうことができない場合が多く、ベクトル走査方式では走査速度が画像データに依存するために、複雑で高解像度の画像データを表示する場合には表示速度が遅くなる。また、二次元画像の高速な走査方式として一般的に用いられるラスター走査を行なうためには、非常に高速にガルバノミラーおよびポリゴンミラーの２つのミラーを駆動しなければならず、ガルバノミラーの回転往復運動は正弦波状に、またポリゴンミラーの運動は等速回転運動に限定されて実現されることとなる。しかしながら、前述のように２つのミラーのサイズは大きいから、運動を高速化させることは容易ではない。さらに、２つのミラーの動作は高度に同期制御させる必要があり、制御が複雑化、高コスト化してしまっていた。すなわち、この従来の光ビーム走査装置で二次元画像を投影させるには、２つのミラーを高速かつ正確に駆動、同期制御させなければならない一方で、ミラーのサイズが大きいから駆動速度を高めることが難しいというジレンマを抱えていた。
【０００６】
また、図１１に示したウェッジプリズムを用いた従来の別の光ビーム走査装置の場合においても、２枚のウェッジプリズム７０１、７０２を回転させるためには、２つの駆動系が必要であるが、ウェッジプリズム７０１、７０２は同軸構造であるために、その回転駆動系は前述のガルバノミラーとポリゴンミラーとを用いた方式より簡素化できる。しかしながら、ウェッジプリズム７０１、７０２による光ビームの走査軌道は内トロコイド（スピログラフ）であり、ラスター走査を前提とした一般的な画像データとの整合性が悪く、実用上不都合な場合が多い。
【０００７】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、高速に直線走査を行なうことができ、また小型で高解像度な光ビーム走査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】
【０００８】
この目的を達成するため、本発明においては、回転する第１の透明ディスクに光ビームを入射させ、上記光ビームを一次元的に偏向する光ビーム走査装置であって、上記第１の透明ディスクの厚みを、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に増加もしくは減少させ、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加もしくは減少させる。
【０００９】
また、回転する第２の透明ディスクに光ビームを入射させ、上記光ビームを一次元的に偏向する光ビーム走査装置であって、上記第２の透明ディスクの厚みを、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁の範囲にわたり同一とし、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において周期的に増加もしくは減少させる。
【００１０】
また、回転する第１の透明ディスクおよび第２の透明ディスクに光ビームを入射させ、上記光ビームを二次元的に偏向する光ビーム走査装置であって、上記第１の透明ディスクの厚みを、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に増加もしくは減少させ、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加もしくは減少させ、上記第２の透明ディスクの厚みを、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁の範囲にわたり同一とし、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において周期的に増加もしくは減少させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光ビーム走査装置においては、透明ディスクの回転のみで光ビーム走査を実現できるから、高速に直線走査を行なうことができ、また小型化、高解像度化を図ることができる。
【００１２】
また、回転する第１の透明ディスクおよび第２の透明ディスクに光ビームを入射させ、光ビームを二次元的に偏向したときには、Ｘ方向走査とＹ方向走査とをそれぞれ異なる透明ディスクの回転で行なうことができるから、ラスター走査を容易に実現でき、さらに高速化もしやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明に係る光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。図に示すように、波長６３３ｎｍの赤色レーザ光ビーム１０３を発する面発光型半導体レーザ１０１が設けられ、光ビーム１０３を平行な光ビーム１０５に変換するコリメートレンズ１０４が設けられている。また、回転軸１０２を回転駆動する回転駆動ユニット１１０が設けられ、回転軸１０２に第１の透明ディスク１０６が取り付けられている。そして、面発光型半導体レーザ１０１の発光面は回転軸１０２と直角に配置されており、光ビーム１０３は回転軸１０２と平行に伝搬し、平行光ビーム１０５は透明ディスク１０６に直角に入射する。また、面発光型半導体レーザ１０１、コリメートレンズ１０４等からなり、光ビーム１０５を発生する光源ユニットと回転駆動ユニット１１０との同期制御を行なう同期制御ユニット（図示せず）が設けられている。
【００１４】
図２は図１に示した第１の透明ディスクを示す斜視図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。図に示すように、回転中心を原点Ｏとし、(半径、角度)＝(ｒ、φ)の極座標を設定すると、透明ディスク１０６の内径位置（ｒ＝ｒ１）における厚みｔ１は一定であるが、外径位置（ｒ＝ｒ２）における厚みｔ２は角度φに比例して増加している。すなわち、透明ディスク１０６の厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に増加し、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加（減少）している。そして、光ビーム１０５は透明ディスク１０６の裏面（図３紙面下部面）に入射し、表面の傾斜角θs1に応じて偏向される。そして、透明ディスク１０６の波長６３３ｎｍに対する屈折率をｎ１とすると、光ビーム偏向角θ１は、arcsin(ｎ１×sinθs1)−θs1となる。したがって、傾斜角θs1を角度φに対して直線的に増加させた透明ディスク１０６を用意することによって、光ビーム偏向角θ１を直線的に変化させることができ、一次元の光ビーム走査を行なうことができる。ただし、角度φ＝０＝２πの位置において傾斜角θs1は不連続であり、透明ディスク１０６の一回転が直線走査の一周期に相当する。
【００１５】
この光ビーム走査装置においては、軽量な透明ディスク１０６の回転のみで光ビーム走査を実現できるから、高速に直線走査を行なうことができ、また小型化を図ることができる。また、透明ディスク１０６の傾斜角θs1は連続的に変化するから、理論上解像度を無限に大きくすることができる。
【００１６】
また、図４は本発明に係る他の光ビーム走査装置の第１の透明ディスクを示す斜視図である。図に示すように、外径部の厚みを一定として、内径部の厚みを変化させた例である。すなわち、透明ディスクの厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に減少し、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加（減少）している。この透明ディスクは図２に示した透明ディスク１０６よりも重心位置が中心に近くなるから、回転駆動を安定化させることができるので、高速化しやすいというメリットがある。
【００１７】
また、図５は本発明に係る他の光ビーム走査装置の第１の透明ディスクを示す斜視図である。図に示すように、内径部の厚みおよび外径部の厚みをともに反対方向に増減させ、内径部と外径部との間の厚みを直線的に変化させた例である。すなわち、透明ディスクの半分の厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に減少し、透明ディスクの他の半分の厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁に向かって連続的に増加し、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において連続的に増加（減少）している。そして、内径部と外径部の最大厚みおよび最小厚みを等しく設定すると、図６に示すように、角度φ＝０径上において、傾斜面がちょうど中央で交差する。ここで、光ビームを傾斜面の中央（図６中のＣ点）に入射すると、透明ディスクが回転しても出射位置の高さＺｃが変わることはない。このような構造は、光ビームの出射位置オフセットを考慮する必要がないため、光学系設計を非常に便利にさせる。
【００１８】
図７は本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。図に示すように、回転軸１０２に第２の透明ディスク１０８が取り付けられている。そして、光ビーム１０５は透明ディスク１０８に直角に入射する。また、面発光型半導体レーザ１０１、コリメートレンズ１０４等からなり、光ビーム１０５を発生する光源ユニットと回転駆動ユニット１１０との同期制御を行なう同期制御ユニット（図示せず）が設けられている。
【００１９】
図８は図７に示した第２の透明ディスクを示す斜視図、図９は図８に示した第２の透明ディスクの外縁部における各扇形断面を円周方向に展開して示した概略図である。図に示すように、透明ディスク１０６と同様に極座標（ｒ、φ）を考えると、透明ディスク１０８の表面は△φごとに扇形状に分割されている。それぞれの扇形領域内では角度φと比例して透明ディスク１０８の厚みは増加もしくは減少している。また、同一の角度φをもつ直線（半径）上においては、透明ディスク１０８の厚みは同一である。また、透明ディスク１０８の角度φ＝０〜△φ，△φ〜２×△φ，……，(２π−△φ)〜２π領域にある扇形をそれぞれＸ１，Ｘ２，……，ＸＮとすると、扇形Ｘ１，Ｘ２，……，ＸＮはそれぞれ異なる傾斜角θs2を有している。すなわち、透明ディスク１０８の厚みは、回転中心を通る任意の切断面において中心から外縁の範囲にわたり同一であり、かつ回転軸を中心とする任意の同心円上において周期的に増加もしくは減少している。
【００２０】
この光ビーム走査装置においては、傾斜角θs2の大きさに応じて光ビーム１０５は光ビーム偏向角θ２の光ビーム１０９に偏向される。この光ビーム偏向角θ２は透明ディスク１０８の屈折率をｎ２とすると、arcsin（ｎ２×sinθs2）−θs2となる。したがって、傾斜角θs2を角度φに対して直線的に増加（減少）させた透明ディスク１０８を用意することによって、光ビーム偏向角θ２を直線的に変化させることができ、一次元の光ビーム走査を行なうことができる。ただし、角度φ＝０＝２πの位置において傾斜角θs2は不連続であり、透明ディスク１０８の一回転が直線走査の一周期に相当する。
【００２１】
このような光ビーム走査装置においては、軽量な透明ディスク１０８の回転のみで光ビーム走査を実現できるから、高速に直線走査を行なうことができ、また小型化を図ることができる。なお、透明ディスク１０８の扇形Ｘ１，Ｘ２，……，ＸＮの分割数Ｎを大きくすれば、解像度を向上することができる。
【００２２】
図１０は本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。図に示すように、回転軸１０２に透明ディスク１０６が取り付けられ、回転軸１０２と回転軸１１２との間に減速機１１１が設けられ、減速機１１１は回転軸１０２が１回転するとき、回転軸１１２をΔφだけ回転する。また、回転軸１０２の中心線と回転軸１１２の中心線とは一致しており、回転軸１１２に透明ディスク１０８が取り付けられている。そして、初期状態において透明ディスク１０６の角度φ＝０の半径方向線と透明ディスク１０８の角度φ＝０の半径方向線とのなす角は０度である。また、面発光型半導体レーザ１０１、コリメートレンズ１０４等からなり、光ビーム１０５を発生する光源ユニットと回転駆動ユニット１１０との同期制御を行なう同期制御ユニット（図示せず）が設けられている。
【００２３】
この光ビーム走査装置においては、面発光型半導体レーザ１０１から発した光ビーム１０３の伝搬方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する平面内において、水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸とすると、透明ディスク１０６によってＹ方向に直線走査された光ビーム１０７は、続いて透明ディスク１０８に入射し、透明ディスク１０８によって光ビーム１０９はＸ方向に直線走査される。この場合、光ビーム１０７は透明ディスク１０８の入射面上でＹ方向に走査されるから、透明ディスク１０６の回転に伴って透明ディスク１０８面上における光ビーム１０７の入射位置はｒ（半径）方向に変動するとともに、透明ディスク１０８の回転に伴って、透明ディスク１０８面上における光ビーム１０７の入射位置はφ（角度）方向にも変動する。しかしながら、透明ディスク１０８は、Δφの範囲ではｒ方向およびφ方向に傾斜角θs2が一定であるので、光ビーム１０７の入射位置の変動によって光ビーム偏向角θ２が影響されることはない。したがって、透明ディスク１０６と透明ディスク１０８を縦列に接続した図１０の構成によって、ＸＹ方向の二次元的な光ビーム走査を実現させることができる。
【００２４】
このような光ビーム走査装置においては、Ｘ方向走査とＹ方向走査とをそれぞれ異なる透明ディスク１０６、１０８の回転で行なうことができるから、ラスター走査を容易に実現でき、さらに高速化もしやすい。また、回転駆動ユニット１１０により透明ディスク１０６、１０８の両者を回転するから、装置を小型化、低消費電力化することができ、また減速機１１１を用いているから、従来の二軸制御系と比べて制御が容易である。
【００２５】
なお、上述実施の形態においては、回転軸１０２と回転軸１１２との間に減速機１１１を設け、回転駆動ユニット１１０により透明ディスク１０６、１０８の両者を回転したが、第１、第２の透明ディスクを別の回転駆動ユニットにより回転してもよい。この場合、２つの回転軸の同期制御はそれぞれの回転駆動ユニットの駆動制御によって行なう。また、上述の実施の形態においては、単色の光源を用いているが、光源は複数の波長からなる構成であっても構わない。特に、ディスプレイ用途では、赤色、緑色、青色の三原色によるカラー表示が通常であるが、その場合には三原色の半導体レーザを用い、光導波路型の光カプラによって合波したのち、ただ一つの光ファイバに結合させると構成が小型化され特に便利である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示した第１の透明ディスクを示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明に係る他の光ビーム走査装置の第１の透明ディスクを示す斜視図である。
【図５】本発明に係る他の光ビーム走査装置の第１の透明ディスクを示す斜視図である。
【図６】図５に示した第１の透明ディスクを示す断面図である。
【図７】本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。
【図８】図７に示した第２の透明ディスクを示す斜視図である。
【図９】図８に示した第２の透明ディスクの外縁部における各扇形断面を円周方向に展開して示した概略図である。
【図１０】本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。
【図１１】従来の光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。
【図１２】図１１に示した光ビーム走査装置の動作説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０１…面発光型半導体レーザ
１０２…回転軸
１０３…光ビーム
１０４…コリメートレンズ
１０５…光ビーム
１０６…第１の透明ディスク
１０７…光ビーム
１０８…第２の透明ディスク
１０９…光ビーム
１１０…回転駆動ユニット
１１１…減速機
１１２…回転軸
【図１】
2005241941.tif 000003
【図２】
2005241941.tif 000004
【図３】
2005241941.tif 000005
【図４】
2005241941.tif 000006
【図５】
2005241941.tif 000007
【図６】
2005241941.tif 000008
【図７】
2005241941.tif 000009
【図８】
2005241941.tif 000010
【図９】
2005241941.tif 000011
【図１０】
2005241941.tif 000012
【図１１】
2005241941.tif 000013
【図１２】
2005241941.tif 000014