(57)【要約】    【課題】  小型で制御を容易にし、広画角投影を可能にする。    【解決手段】  光ファイバ１０１から発したレーザビーム１０２を平行な光ビーム１０８に変換するコリメートレンズ１０３を設け、光ビーム１０８の伝搬軸上に置かれた円板状のディスク１０４を設け、ディスク１０４の表面に複数の微小ミラー１０５を同心円状に配置して形成し、ディスク１０４を回転駆動する回転駆動ユニット（図示せず）を設け、回転駆動ユニットと光源、光ファイバ１０１等からなる光源ユニットとの同期制御を行なう同期制御ユニット（図示せず）を設ける。【選択図】        図１
2005241936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発生する光源ユニットと、上記光ビームの伝搬軸上に置かれた円板状のディスクと、上記ディスクを回転させる回転駆動ユニットと、上記回転駆動ユニットと上記光源ユニットとの同期制御を行なう同期制御ユニットとを備え、上記回転駆動ユニットにより上記ディスクを回転させることで上記光ビームを偏向し、ビーム走査を行なう光ビーム走査装置であって、上記ディスクの表面に複数の微小ミラーを同心円状に配列して形成し、複数の上記微小ミラーのそれぞれ面角度を相違させたことを特徴とする光ビーム走査装置。
【請求項２】
光ビームを発生する光源ユニットと、上記光ビームの伝搬軸上に置かれた平面ミラーと、上記平面ミラーにて反射された光ビームの伝搬軸上に置かれた円板状のディスクと、上記平面ミラーを往復回転運動させるミラー駆動ユニットと、上記ディスクを回転させる回転駆動ユニットと、上記光源ユニットと上記ミラー駆動ユニット、上記回転駆動ユニットとの同期制御を行なう同期制御ユニットとを備え、上記回転駆動ユニットにより上記ディスクを回転させることで光ビームを偏向し、ビーム走査を行なう光ビーム走査装置であって、上記ディスクの表面に複数の微小ミラーを複数周に渡って同心円状に配列して形成し、各同心円状に配列された複数の上記微小ミラーのそれぞれ面角度を相違させたことを特徴とする光ビーム走査装置。
【請求項３】
上記ディスク表面の上記微小ミラーが形成されていない部分に、黒色化処理、表面粗化処理の少なくとも一方を施したことを特徴とする請求項１または２に記載の光ビーム走査装置。
【請求項４】
上記ディスクの上記微小ミラーが形成されている側の表面に、均一な厚みをもつ透明保護層を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の光ビーム走査装置。
【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６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７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、２つのミラーを駆動するために２つの駆動ユニットが必要であり、重量と消費電力が大きくなってしまっていた。また一般に、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つのミラーの動作を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６に示したウェッジプリズムを用いた従来の光ビーム走査装置は、２枚のウェッジプリズム６０１、６０２を回転させるために２つの駆動ユニットが必要であり、重量や消費電力が大きくなってしまっていた。また、２枚のウェッジプリズム６０１、６０２を正確に同期させて回転駆動する必要があるために、高度な同期制御ユニットが必要であり、装置は大型化、高コスト化してしまっていた。さらに、本方式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）であるために、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かった。
【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、小型で制御が容易であり、広画角投影が可能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、光ビームを発生する光源ユニットと、上記光ビームの伝搬軸上に置かれた円板状のディスクと、上記ディスクを回転させる回転駆動ユニットと、上記回転駆動ユニットと上記光源ユニットとの同期制御を行なう同期制御ユニットとを備え、上記回転駆動ユニットにより上記ディスクを回転させることで上記光ビームを偏向し、ビーム走査を行なう光ビーム走査装置であって、上記ディスクの表面に複数の微小ミラーを同心円状に配列して形成し、複数の上記微小ミラーのそれぞれ面角度を相違させる。
【０００９】
また、光ビームを発生する光源ユニットと、上記光ビームの伝搬軸上に置かれた平面ミラーと、上記平面ミラーにて反射された光ビームの伝搬軸上に置かれた円板状のディスクと、上記平面ミラーを往復回転運動させるミラー駆動ユニットと、上記ディスクを回転させる回転駆動ユニットと、上記光源ユニットと上記ミラー駆動ユニット、上記回転駆動ユニットとの同期制御を行なう同期制御ユニットとを備え、上記回転駆動ユニットにより上記ディスクを回転させることで光ビームを偏向し、ビーム走査を行なう光ビーム走査装置であって、上記ディスクの表面に複数の微小ミラーを複数周に渡って同心円状に配列して形成し、各同心円状に配列された複数の上記微小ミラーのそれぞれ面角度を相違させる。
【００１０】
これらの場合、上記ディスク表面の上記微小ミラーが形成されていない部分に、黒色化処理、表面粗化処理の少なくとも一方を施す。
【００１１】
また、上記ディスクの上記微小ミラーが形成されている側の表面に、均一な厚みをもつ透明保護層を形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光ビーム走査装置においては、ただ１つのディスクの回転運動だけで二次元走査を実現することができるから、回転駆動ユニットが１つだけですみ、装置を小型化することができる。また、回転駆動ユニットが１つだけなので、同期に必要な高度な制御が不要となり、装置の小型化と低消費電力化を図ることができる。また、装置が小型化されるために、より高速な走査が可能となり、解像度を高めることができる。また、微小ミラーの面角度はすべて独立に設定できるために、ラスター走査のみならず、同心円走査、螺旋状走査などの様々な走査を高速かつ容易に実現できる。また、微小ミラーの面角度の設定許容範囲が広いから、光ビームの偏向角を大きくでき、広画角の投影を行なうことができる。また、ビーム偏向の際に色収差が発生しないから、広画角のカラー表示を良好に実現できる。
【００１３】
また、光ビームの伝搬軸上に置かれた平面ミラーと、平面ミラーを往復回転運動させるミラー駆動ユニットとを設け、ディスクの表面に複数の微小ミラーを複数周に渡って同心円状に配列して形成したときには、ディスク上に形成され得る微小ミラーの数すなわち画素数を大幅に増大させることができるから、高解像な画像を投影することができる。
【００１４】
また、ディスク表面の微小ミラーが形成されていない部分に、黒色化処理、表面粗化処理の少なくとも一方を施したときには、ディスク表面の微小ミラー以外の部分からの反射を抑制することができるから、高画質な画像を投影することができる。
【００１５】
また、ディスクの微小ミラーが形成されている側の表面に、均一な厚みをもつ透明保護層を形成したときには、微小ミラーの面のキズや汚れを防止することができるから、信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明に係る光ビーム走査装置を示す概略図である。図に示すように、光ファイバ１０１から発した波長６３３ｎｍの赤色レーザビーム１０２を平行な光ビーム１０８に変換するコリメートレンズ１０３が設けられ、光ビーム１０８の伝搬軸上に円板状のディスク１０４が置かれている。そして、光源（図示せず）、光ファイバ１０１、コリメートレンズ１０３によって光ビームを発生する光源ユニットが構成されている。また、ディスク１０４の表面には複数の微小ミラー１０５が同心円状に配列して形成され、複数の微小ミラー１０５のそれぞれ面角度は相違しており、またディスク１０４の近傍にスクリーン１０７が設けられている。さらに、ディスク１０４を回転させる回転駆動ユニット（モータ駆動ユニット、図示せず）が設けられ、回転駆動ユニットと光源ユニット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。
【００１７】
この光ビーム走査装置においては、光ファイバ１０１から発したレーザビーム１０２がコリメートレンズ１０３により光ビーム１０８に変換され、光ビーム１０８は微小ミラー１０５の面角度に応じて反射され、微小ミラー１０５によって反射された反射光ビーム１０６はスクリーン１０７上に投影される。そして、ディスク１０４は回転駆動ユニットによって回転駆動され、ディスク１０４が微小角だけ回転すると、微小ミラー１０５の隣りに配置された別の微小ミラー１０５が光ビーム１０８の光軸上に移動し、光ビーム１０８は別の微小ミラー１０５の面角度に応じて反射される。このとき、２つの微小ミラー１０５の面角度は、スクリーン１０７上において隣り合う２つの画素位置に到達するようにそれぞれ独立に設定されている。同様にして、スクリーン１０７上の画素位置に対応して設定された面角度をもつ複数の微小ミラー１０５が同心円状に配置されているから、ディスク１０４を回転させれば、スクリーン１０７上を二次元的に光ビーム走査することができる。すなわち、ディスク１０４の表面に光ビーム１０８の直径よりも大きくかつ面角度が相違する複数の微小ミラー１０５を同心円状に形成し、回転駆動ユニットによりディスク１０４を回転することで、微小ミラー１０５により光ビーム１０８を偏向し、二次元のビーム走査を行なうことができる。
【００１８】
つぎに、微小ミラー１０５の面角度の設計について図２を用いて説明する。まず、微小ミラー１０５上における光ビーム１０８の入射位置を原点にとり、ディスク１０４の回転軸方向をＺ軸、Ｚ軸に直交した平面をＸＹ平面とする。また、光ファイバ１０１から発したレーザビーム１０２はＹ＝０平面内にあるものとし、光ビーム１０８がＺ軸となす角を入射角θｉｘとする。ここで、微小ミラー１０５の面角度をθｍＸとすると、反射光ビーム１０６の偏向角θＳＸは次式(１)で表される。
【００１９】
θｓｘ＝θｉｘ−２θｍｘ      （１）
したがって、たとえば入射角θｉｘが４５度の場合、面角度θｍｘを−２２．５〜６７．５°の範囲に設定することにより、Ｚ＝Ｚｓの位置に置かれたスクリーン１０７面上のすべての点を走査できる。すなわち、微小ミラー１０５を用いる本方式は、原理的に１８０°の広画角投影を実現させることができる。
【００２０】
なお、以上微小ミラー１０５によるＸ軸方向の偏向について説明したが、微小ミラー１０５の面角度を適切に設定することで、Ｙ軸方向の偏向も同様に行なうことができる。したがって、微小ミラー１０５の面角度を適切に設定しておくことによって、スクリーン１０７上をくまなく走査させることができる。
【００２１】
このような光ビーム走査装置においては、ただ１つのディスク１０４の回転運動だけで二次元走査を実現することができるから、回転駆動ユニットが１つだけですみ、装置を小型化できる。また、回転駆動ユニットが１つだけなので、同期に必要な高度な制御が不要となり、装置の小型化と低消費電力化を図ることができる。また、装置が小型化されるために、より高速な走査が可能となり、解像度（走査点数）を高めることができる。また、微小ミラー１０５の面角度は微小ミラー１０５の配置位置と全く独立に設定できるから、ラスター走査のみならず、同心円走査、螺旋状走査、非等間隔走査などの様々な走査を高速かつ容易に実現できる。また、微小ミラー１０５の面角度の設定許容範囲が広いから、反射光ビーム１０６の偏向角を大きくでき、広画角の投影を行なうことができるので、微小ミラー１０５による光ビーム走査装置を用いれば、スクリーン１０７までの距離が極端に短い状況でも使用可能なプロジェクタや、携帯機器に組込まれて使用される小型プロジェクタ等を実現させることが可能となる。また、微小ミラー１０５のようなミラーによるビーム偏向においては、プリズムのような色分離を伴わないから、反射光ビーム１０６の偏向角を大きくしても色収差が増大することはないので、広画角のカラー表示を良好に実現できる。また、光源とコリメートレンズ１０３とを光ファイバ１０１でつないでいるから、光源部とディスク１０４、微小ミラー１０５等からなる光ビーム走査部とを分離して配置させることが可能となるため、放熱設計の容易化やデザインの多様化といった利点が生まれる。
【００２２】
図３は本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略図である。図に示すように、平面ミラー２０１が光ビーム１０８の伝搬軸上に４０度の傾きで固定して配置されており、光源、光ファイバ１０１、コリメートレンズ１０３、平面ミラー２０１によって平行な光ビーム２０２を発生する光源ユニットが構成されている。そして、平面ミラー２０１で反射された光ビーム２０２はディスク１０４上に形成された微小ミラー１０５にて再び反射され、スクリーン１０７へ投影される。
【００２３】
この光ビーム走査装置においては、ディスク１０４上における微小ミラー１０５の配置構成は図１に示した光ビーム走査装置と同じであるが、光ファイバ１０１と反射光ビーム１０６の投影方向とをほぼ同一方向に向けることが可能となるから、インライン型の装置構成が可能となり、図１に示した光ビーム走査装置より細径、小型な装置を実現することができ、また製造性も向上する。
【００２４】
図４は本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略図、図５は図４に示したで光ビーム走査装置のディスク部を示す概略図である。図に示すように、光源、光ファイバ１０１、コリメートレンズ１０３によって光ビーム１０８を発生する光源ユニットが構成されており、平面ミラー３０１が光ビーム１０８の伝搬軸上に置かれ、光ビーム１０８は平面ミラー３０１に照射される。また、平面ミラー３０１を往復回転運動させるミラー駆動ユニット（図示せず）が設けられ、平面ミラー３０１は回転軸３０２を中心として図中に示す矢印Ａの方向に往復回転運動を行なう。また、平面ミラー３０１にて反射された光ビーム３０３の伝搬軸上に円板状のディスク３０４が置かれ、ディスク３０４は回転駆動ユニット（図示せず）により回転される。また、光源ユニットとミラー駆動ユニット、回転駆動ユニット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。また、ディスク３０４の表面に複数の微小ミラー３０５が複数周に渡って同心円状に配列して形成され、各同心円状に配列された複数の微小ミラー３０５のそれぞれ面角度は相違している。すなわち、各微小ミラー３０５はスクリーン１０７上の各画素位置に対応するよう、最適な面角度が設定される。したがって、少なくとも同一の同心円上においては、各微小ミラー３０５の面角度は相違する。
【００２５】
この光ビーム走査装置においては、平面ミラー３０１が図中実線にて示した位置にあるときには、平面ミラー３０１で反射された光ビーム３０３は、ディスク３０４上の微小ミラー３０６ａに入射され、微小ミラー３０５ａで再び反射されてスクリーン１０７上の画素位置３０６ａに到達する。また、平面ミラー３０１が図中点線で示した位置にあるときには、ディスク３０４上の別の微小ミラー３０５ｂに入射され、スクリーン１０７上の別の画素位置３０６ｂに到達する。したがって、平面ミラー３０１とディスク３０４の回転を同期制御し、それに合わせて画像情報を供給すれば、スクリーン１０７上で二次元の画像を表示させることができる。
【００２６】
このような光ビーム走査装置においては、ディスク３０４上に形成され得る微小ミラー３０５の数すなわち画素数を、単一の同心円上にのみ微小ミラーが配列される場合と比べて、大幅に増大させることができるから、高解像な画像を投影することができる。
【００２７】
なお、ディスク１０４、３０４の表面の微小ミラー１０５、３０５が形成されていない部分に、黒色化処理、表面粗化処理の少なくとも一方を施したときには、ディスク１０４、３０４の表面の微小ミラー１０５、３０５以外の部分からの反射を抑制することができるから、高画質な画像を投影することができる。
【００２８】
また、ディスク１０４、３０４の微小ミラー１０５、３０５が形成されている側の表面に、均一な厚みをもつ透明保護層を形成したときには、微小ミラー１０５、３０５の面のキズや汚れを防止することができるから、信頼性を向上することができる。
【００２９】
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１０１に結合させると構成が小型化され特に便利である。また、上述実施の形態においては、二次元走査について説明したが、一次元走査についても本発明を適用することができる。また、微小ミラー１０５、３０５は、ＮＣ加工機を用いて金属ディスクから精密切削により作製すること可能である。さらに、それを金型とした成型は量産性において特に好適である。また、上記光源としては、面型半導体レーザのみならず、端面出射型半導体レーザ、ガスレーザ、固体レーザなど、平行光に整形できる光ビームを発生する光源がすべて含まれることはいうまでもない。
【００３０】
また、図４、図５に示した光ビーム走査装置では、微小ミラー３０５を等角度分布になるように配置しているために、中心ほど微小ミラー３０５のサイズは小さいが、全ての微小ミラー３０５のサイズを同じくしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る光ビーム走査装置を示す概略図である。
【図２】図１に示した光ビーム走査装置の微小ミラーの面角度の説明図である。
【図３】本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略図である。
【図４】本発明に係る他の光ビーム走査装置を示す概略図である。
【図５】図４に示したで光ビーム走査装置のディスク部を示す概略図である。
【図６】従来の光ビーム走査装置を示す斜視図である。
【図７】図６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】
【００３２】
１０１…光ファイバ
１０３…コリメートレンズ
１０４…ディスク
１０５…微小ミラー
１０８…光ビーム
２０１…平面ミラー
２０２…光ビーム
３０１…平面ミラー
３０４…ディスク
３０５…微小ミラー
【図１】
2005241936.tif 000003
【図２】
2005241936.tif 000004
【図３】
2005241936.tif 000005
【図４】
2005241936.tif 000006
【図５】
2005241936.tif 000007
【図６】
2005241936.tif 000008
【図７】
2005241936.tif 000009