JPH0432892A - レーザ描画装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、レーザビームを用いて被描画媒体にパターン
情報を描画するレーザ描画装置に関し、特にレーザビー
ムを用いてテレビジョン画像等ヲ表示するレーザ描画装
置に用いて好適なものである。

〔発明の概要〕

本発明は、レーザビームをラスター走査させて被描画媒
体にパターン情報を描画するようにしたレーザ描画装置
において、一定の周期で送られてくる所定の周波数を有
するパターン情報信号を、上記一定の周期よりも速い周
期で読出して、上記所定の周波数よりも高い周波数のパ
ターン情報信号に変換する変換手段と、該変換手段から
の上記パターン情報信号成分により変調されたレーザビ
ームを水平方向に偏向させる水平偏向手段を有して構成
することにより、高速の水平ラスター走査が必要である
場合においても、従来とほぼ同じ光学系を用いて安価に
水平解像度の高い画像が得られるようにしたものである
。

（従来の技術〕 近時、強度変調されたレーザビームを、水平及び垂直方
向に２次元的にラスター走査して、例えばテレビジョン
画像を表示するレーザ描画装置がある。

そして、このレーザ描画装置のレーザビームの走査方式
として、回転多面鏡を用いた機械方式があるが、この回
転多面鏡を用いた機械方式には、以下の欠点がある。

（ｉ）回転多面鏡を回転駆動するモータの軸振れ等によ
る振動が発生する。

（ｉｉ　）回転多面鏡の回転による風切り音等の騒音が
発生する。

（ｉｉｉ）回転多面鏡の軸受の耐久性に問題がある。

（ｉｖ）上述した回転駆動モータの回転の立ち上がりが
速みやかでは無いので、クイック・スタートが困難であ
る。

（ｖ）回転駆動モータの回転安定性に問題があるため、
時間シンターが発生する。

以上のような欠点を有する機械方式のレーザビーム走査
方式に対して、機械的な駆動部分の無い音響光学偏向器
を用いた音響光学走査方式が、例えば、「音響光学偏向
器を使用したラスター走査型レーザデイスプレィ装置」
　（電子通信学会論文誌第５８巻Ｃ２第４号１９７５年
第２０９頁〜第２１６頁）に記載されている。

この音響光学偏向器を使用したラスター走査型レーザデ
イスプレィ装置は、レーザ光源から出射されたレーザビ
ームを音響光学偏向器にてラスター走査させて、スクリ
ーン等に直接画像を描画するようにしている。

このレーザデイスプレィ装置によれば、機械方式のもの
と比較して、振動や騒音が無く、耐久性にも優れ、クイ
ック・スタートも容易で、時間ジッターも無い。また、
小型化も可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、レーザビームの伝搬モードがガウシアンビーム
であるとすると、第５図に示すように、スクリーン（３
１）上でのスポットサイズ（強度が１／ｅ２となる直径
）ｄは、 ｄ−ＴλＬ／Ｄ　　　　　　　　　　・・・・（１）で
与えられる。ここで、Ｔ−４／π−１，２７、λはし一
ザビームｌの波長、Ｌは音響光学偏向器（３２）内にお
ける偏向点とスクリーン（３１）間の距離、Ｄは偏向点
でのビーム径である。

また、スクリーン（３１）上での分解点数（分解能）Ｎ
は、φを偏向角とすると、次式 ％式％（２） で見積ることができ、分解能ＮはφＤに比例する。

分解能Ｎを走査線本数Ｎ、で表わすと、Ｎ、は次式 Ｎ、＝２Ｎ−１ζ２φＤ／ｒ　λ・・・・（３）となる
。

ところで、）（ＤＴＶ　（高精細度テ１／ビジョン）方
式のように、高速のラスクー走査が必要である場合、従
来のレーザ描画装置では、水平解像度が低下するという
不都合がある。即ち、ＨＤＴＶ方弐の水平走査周波数は
、ＮＴＳＣ方式の約２倍であり、水平ブランキング期間
はその１／２の約４μｓｅｃであるため、従来のままの
ビーム径では音響光学偏向器（３２）内でのビームの帰
線に関し、余裕が無くなる。従って、ビーム径りを小さ
くして対応するしかないが、ビーム径りが小さくなると
、上式（２）及び（３）からもわかるとおり、分解能、
水平解像度が劣化する。

そこで、上記音響光学偏向器（３２）として、高速アク
セス対応の特殊な音響光学偏向器を用いて上記不都合を
回避させるという例もあるが、この音響光学偏向器の場
合、超音波の伝搬速度が非常に速いため、偏向角φが従
来のものと比して小さくなり、水平解像度は、期待する
程向上しない。偏向角φは、第６図に示すように、ブラ
ッグ帯域（超音波の周波数の掃引幅）Δｆを広くとる程
、大きくなるため、この高速アクセス対応の音響光学偏
向器の場合、上記ブラッグ帯域△ｆを広くとる必要があ
り、掃引周波数（中心周波数ｆ。）を上げ、位相同期型
（縦波型）などにしなければならず、音響光学偏向器自
体の構造が複雑化、大型化し、また、ビーム整形もめん
どうになることから、レーザ描画装置の高価格化を招く
という不都合がある。尚、第６図において、曲線Ｉは音
響光学偏向器に供給する掃引周波数ｆの回折効率分布を
示し、曲線■は回折角θの周波数分布を示す。

また、ｆＣはブラッグ帯域Δｆの中心周波数、ｆ。

及びｆ２は曲線Ｉにおいて回折効率５０％の点Ａ及び点
Ｂにおける周波数である。

本発明は、このような点に鑑み成されたもので、その目
的とするところは、高速の水平ラスター走査が必要であ
る場合においても、安価に水平解像度の高い画像を得る
ことができるレーザ描画装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段〕 本発明は、レーザビーム！をラスター走査させて被描画
媒体（１１）にパターン情報を描画するようにしたレー
ザ描画装置（Ａ）において、一定の周期Ｔで送られてく
る所定の周波数ｆ、を有するパターン情報信号■３を上
記一定の周期Ｔよりも速い周期ｔ５で読出して、上記所
定の周波数ｆ１よりも高い周波数１２のパターン情報信
号■に変換する変換手段（１）と、この変換手段（１）
からのパターン情報信号■の信号成分により変調された
レーザビーム！を水平方向に偏向させる水平偏向手段（
６）を有して構成する。

〔作用〕

上述の本発明の構成によれば、一定の周期Ｔで送られて
くる所定の周波数ｆ１を有するパターン情報信号■１を
高速の第２の周Ｍｔｓで読出して周波数の高いパターン
情報信号Ｖに変換し、このパターン情報信号■の信号成
分により変調されたレーザビーム！を水平偏向するよう
にしたので、所定の１水平走査期間を変えずに、水平ブ
ランキング期間を長くとることが可能となり、レーザビ
ーム！の帰線に関し、余裕をもたせることができる。従
って、ビーム径りを大きくすることが可能となり、高解
像度の画像を得ることができる。また、特殊な水平走査
手段を用いることな（２，従来の光学系とほぼ同じ構成
が採用できるため５、高解像度化を図ったレーザ描画装
置（八）の構造の簡略化、製造コストの低廉化を同時に
図ることができる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第４図を参照しながら本発明の詳細な説
明する。

第１図は、本実施例に係るレーザ描画装置（Ａ）を示す
構成図である。この図において、（］）は一定の周期Ｔ
で送られてくる所定の周波数ｆ、を有する映像信号■１
を上記周波数ｆ１よりも高い周波数ｆ２を有する映像信
号■に変換する周波数変換回路である。この回路（１）
の構成及び動作については後述する。

そして、レーザ光源（２）から出射されたレーザビーム
はビーム絞り込みレンズ（３）を介して細く絞り込まれ
、音響光学光強度変調器（４）に供給される。

この光強度変調器（４）は、音響光学媒体に印加される
超音波の強度を変えて、レーザビームがこの超音波によ
って回折される効率を変化させることで、回折レーザビ
ームの強度を変調するものである。

この光強度変調器（４）には、周波数変換回路（］）か
らの映像信号■が供給され、この映像信号■のうち、輝
度信号成分に応じてレーザビームｌが光強度変調される
。そして、この光強度変調器（４）から出射した強度変
調されたレーザビーム２は、ビーム拡大レンズ（５）を
介して、所定の太さのレーザビームｌに変換された後、
水平走査用音響光学偏向器（６）に供給される。

この音響光学偏向器（６）は、音響光学媒体（６ａ）の
−面に、圧電効果を利用した超音波発生器（６ｂ）が取
付けられた構造となっており、この超音波発生器（６ｂ
）に高周波発生器（６ｃ）からの電圧が印加されること
で音響光学媒体（６ａ）に超音波振動の進行波が作られ
る。この時、高周波発振器（６ｃ）の発振周波数が低い
場合には波長の長い進行波が作られ、発振周波数が高い
場合には波長の短い進行波が作られる。

そして、音響光学偏向器（６）に供給されたレーザビー
ムＥは、音響光学媒体（６ａＨこ導かれて、超音波振動
の進行波と遭遇され、この進行波によって、回折されて
、偏向を受ける。この時、超音波振動の進行波の波長が
短い程大きな偏向を受けるので、高周波発振器（６ｃ）
の発振周波数を低い周波数から高い周波数へ鋸歯状に繰
り返し掃引することで、音響光学偏向器（６）から出射
するレーザビームは、偏向を受けて偏向走査を繰り返す
水平走査レーザビームｌとなる。

ここで、高分解能の画像を投影するには、音響光学偏向
器（６）に入射させるレーザビームｌの径を太くする必
要がある。然るに、ビーム径が太い場合、音響光学媒体
（６ａ）中の超音波振動の進行波の伝達速度が有限であ
るため、入射したレーザビームｌの超音波発生器（６ｂ
）に近い部分と遠い部分では、遭遇する超音波の周波数
が異なり、偏向角度がビーム径の位置によって異なる。

つまり、超音波発生器（６ｂ）に近い部分では、高い周
波数の超音波に遭遇して大きな偏向を受け、遠い部分で
は低い周波数の超音波に遭遇して小さな偏向を受けるの
で、あたかもシリンドリカルレンズを透過させた如くに
、レーザビームβは平行ビームとはならずに、集光して
偏向される。これをシリンドリカルレンズ効果と呼んで
いる。

そして、音響光学偏向器（６）から出射され、偏向走査
を繰り返す水平走査レーザビームとなったレーザビーム
ｌは、補正シリンドリカルレンズ（７）に供給される。

この補正シリンドリカルレンズＣ７）は、上述のシリン
ドリカルレンズ効果を補正するためで、これを透過した
レーザビームは再び平行なレーザビームｌとなって、水
平偏向走査を繰り返す。

そして、この補正シリンドリカルレンズ（７）を透過し
た水平偏向レーザビーム！は、垂直走査用音響光学偏向
器（８）に供給される。この音響光学偏向器〔８）は、
水平走査用音響光学偏向器（６）と同じ構造を有するも
ので、音響光学媒体（８ａ）の−面に、圧電効果を利用
した超音波発生器（８ｂ）が取つけられ、高周波発振器
（８ｃ）からの電圧を印加することで光学媒体（８ａ）
に超音波振動の進行波を作り、高周波発振器（８ｃ）の
発振周波数を低い周波数から高い周波数へ鋸歯状に繰り
返し掃引して、入射したレーザビームｌを垂直方向に繰
り返し偏向させるものである。

なお、垂直偏向の走査繰り返し回数は例えば、毎秒６０
回と、上述した水平偏向に比べて遅いので、音響光学偏
向器（８）でのシリンドリカルレンズ効果は無視できる
。

そして、この音響光学偏向器（８）から出射された水平
および垂直の二次元偏向走査を繰り返すレーザビームｌ
は拡大投影レンズ（９）および（１０）を介してスクリ
ーン（１１）上に投影される。この拡大投影レンズ（９
）および（１０）は偏向器での偏向角度がわずか２°程
度で極めて小さくこのままでは、スクリーン（１１）上
での画面サイズが大きくならない為、実用的なスクリー
ンサイズに描画サイズを拡大させる目的で用いている。

このようにしてスクリーン（］１）上にレーザビームが
ラスター走査されて、且つこの水平、垂直偏向に同期し
て光強度変調器（４）へ映像信号Ｖが与えられることで
テレビジョン画像が表示可能となる。

次に、本例に係る周波数変換回路（１）の構成及び動作
を第２図及び第３図に基いて説明する。

この周波数変換回路（１）は、第２図に示すように、一
定の周期Ｔ（例えば、ハイビジョンテレビ方式であれば
水平走査期間２９．６３μｓｅｃ　、水平ブランキング
期間３．７７μｓｅｃ　）で連続的に送られてくるアナ
ログの映像信号■、をデジタルの映像信号■６に変換す
るＡ／Ｄ変換器（２１）と、上記アナログ映像信号■３
から水平同期信号ｓｈを分離させる同期分離回路（２２
）と、上記Ａ／Ｄ変換器（２１）からの映像信号■、を
一旦格納する第１及び第２のラインメモリ（２３ａ）及
び（２３ｂ）　　と、各ラインメモリ（２３ａ）又は（
２３ｂ）からの映像信号■゛４をアナログの映像信号■
に変換するＤ／Ａ変換器（２４）と、上記同期分離回路
（２２）からの水平同期信号ｓｈに基いて、各回路に必
要なりロックパルスを供給する制御クロック発生器（２
５）とを有する。尚、（２６）は、音響光学偏向器（６
）に掃引信号ｆを供給する掃引信号発生器、（２７）は
掃引信号発生器（２６）から出力される掃引信号ｆの出
力タイミングを所定時間遅延させる遅延回路である。

そして、第３図に示すように、一定周期Ｔで連続的に送
られて（る周波数ｆ１が例えば３０ＭＨ２の映像信号■
３のうち、例えば第１走査線に関する映像信号■、１（
第３図Ａ参照）を第１の表示期間ｔ１において、制御ク
ロック発生器（２５）からのＡ／Ｄクロックパルスｐａ
ｄに基いて、Ａ／Ｄ変換器（２１）にてデジタル映像信
号Ｖｄｌに変換すると共に、制御クロック発生器（２５
）からの周波数が例えば７０ＭＨ２の書込みクロックパ
ルスｌ）Ｗ＋　に基いて、上記デジタル映像信号Ｖｄｌ
を例えば第１のラインメモ’）　（２３ａ）に書込む（
第３図Ｃ参照）。次に、第２走査線に関する映像信号■
、２（第３図Ａ参照）を第２の表示期間ｔ２において、
Ａ／Ｄ変換器（２１）にてデジタル映像信号Ｖｄ□に変
換すると共に、制御クロック発生器（２５）からの周波
数が例えば７０ＭＨｚの書込みクロックパルスｐｗ□に
基いて、上記映像信号Ｖｄ２を第２のラインメモリ（２
３ｂ）に書込む（第３図り参照）。また、この第２の表
示期間ｔ２において、制御クロック発生器（２５）から
の周波数が例えば１００ＭＨ２の読出しクロックパルス
Ｐｒ＋に基いて、第１のラインメモリ（２３ａ）から第
１走査線に関する映像信号■゛４．を続出しく第３図Ｃ
参照）、制御クロ・ンク発生器（２５）からのＤ／Ａク
ロックパルスｐｄ、に基いて、Ｄ／Ａ変換器（２４）に
て周波数ｆ２が５０Ｍ）１２のアナログ映像信号Ｖ（Ｖ
ｌ）に変換したのち、該アナログ映像信号Ｖ（Ｖ、）を
後段の光強度変調器（４）に供給し、レーザ光源（２）
から出射されたレーザビームｌを上記映像信号Ｖ（Ｖ、
）の輝度信号成分により変調させる。

即ち、上側では、第１走査線に関する映像信号■１を一
旦デジタル映像信号■、１に変換したのち、上記映像信
号Ｖ　ＩＩよりも高い周波数の書込みクロックパルスＰ
ｗ＋に基いて、上記デジタル映像信号Ｖ□を第１のライ
ンメモリ（２３ａ）に書込み、次いで上記書込みクロッ
クパルスｐｗ＋よりも高い周波数の読出しクロックパル
スＰｒ＋に基いて、上記デジタル映像信号Ｖｄｌを入力
映像信号■１の表示期間ｔ１よりも速い周期ｔ５で読出
して第１走査線に関する入力映像信号■８１を高周波の
映像信号■（■１）に変換する。従って、本例では、上
記周期ｔ５が表示期間となる。

一方、遅延回路（２７）は、同期分離回路（２２）から
の水平同期信号ｓｈの入力に基いて、ある一定時間ｔｄ
経過後に１つのパルスＰｄを出力する（第３図Ｃ参照）
。そして、このパルスＰｄに基いて、掃引信号発生器（
２６）から音響光学偏向器（６）に対し掃引信号ｆを出
力する（第３図Ｃ参照）。二〇掃引信号ｆは、周波数を
低周波から高周波に掃引してなる鋸歯状の波形を有し、
その出力期間Ｔｆは、パルスＰｄの繰返し周期Ｔｄと同
じ、即ち入力映像信号Ｖａの基準となる周期Ｔ（水平走
査期間ｔと水平ブランキング期間ｔＩＩの合計期間）と
同じに設定される。特に本例では、レーザビーム！の出
射に合わせて、音響光学偏向器（６）における音響光学
媒体（６ａ）での超音波波長の空間分布が常に１次式、
所謂リニア・アクセス・モード（ＬＡＭ）となるように
、掃引信号ｆの周波数変化量Δｆが設定される。即ち、
上記の例では、第１走査線に関するレーザビーム２が出
射された段階でリニア・アクセス・モード（ＬＡＭ）と
なるようにして、レーザビーム！を均一に水平偏向でき
るようにし、次のパルスＰｄの立上がり時にその掃引を
終了させると同時に次の走査ｖＡ！こ関するレーザビー
ムｐへの掃引を開始する。このことから、本例の場合、
その水平ブランキング期間Ｔ、は、読出し終了時から次
の水平走査時までの期間になり、通常の水平ブランキン
グ期間ｔｇ＆比較して（ｔ　　ｔｓ）分長くなる。

そして、次の第３の表示期間ｔ３において、第３走査線
に関するデジタル映像信号Ｖｄ３を第１のラインメモリ
（２３δ）に書込むと共に（第３図Ｃ参照）、第２のラ
インメモリ（２３ｂ）から第２走査線に関する映像信号
■゛、２を周波数が例えば１００ＭＨ２の読出しクロッ
クパルスＰｒ２に基いて周期ｔｓにて読出し、Ｄ／Ａ変
換器（２４）を介してアナログ映像信号Ｖ（ｖｚ）に変
換したのち、該信号Ｖ（ｖｚ；＋を光強度変調器（４）
に供給する。もちろん、この続出し、期間ｔ５において
も音響光学偏向器（６）がリニア・アクセス・モー１”
（ＬＡＭ）４こ入るようになされる。

そして、上記動作を順次繰返すことによって、レーザビ
ーム！がスクリーン（１１）上において順次ラスター走
査され、このラスター走査ムこよどつ、スクリーン（１
１）に入力映像信号Ｖａに基づく画像が描画される。

次に、実施例と比較例についてのレイリー限界による水
平解像度Ｎｒの比較を下表及び第４図に基いて説明する
。ここで、レイリー限界による水平解像度Ｎｒとは、次
式で求める分解本数であり、単位としてＴＶ本が用いら
れる。

上式（１）で、τは水平ブランキング期間、Ｔは水平走
査期間、Δｆはブラッグ帯域、９／１６はアスペクト比
を示す。

そして、通常のハイビジョン方式、即ち比較例の水平ブ
ランキング期間τは下表■及び第４図Ａに示すように、
３．７７μｓｅｃと非常に短いため、音響光学偏向器（
６）の開口を小さくしてレーザビームｌのビーム径を小
さくしぼる必要があり、水平解像度Ｎｒは２６ＯＴＶ本
と低い値になっている。

之に対して、本実施例は、上表■及び第４図Ｂに示すよ
うに、映像周波数を高＜　（５１，３ＭＨ２）、表示期
間を短くして（１５，１３μ５ｅｃ）、水平ブランキン
グ期間を１４．５μｓｅｃと長くとるようにしたので、
音響光学偏向器（６）の開口を大きくすることが可能と
なり、それに合わせてレーザビームｌのビー・ム径も大
きくできることから、水平解像度Ｎｒは５９０ＴＶ本と
高い値をとることができる。

上述の如く、本例によれば、一定の周期Ｔで送られてく
る映像信号Ｖａを上記一定の周期Ｔよりも速い周期ｔ５
で読出して高周波の映像信号■に変換し、この映像信号
■の輝度信号成分により変調されたレーザビームｌを水
平偏向するようにしたので、１水平走査期間Ｔを変えず
に水平ブランキング期間ＴＩを長くとることが可能とな
り、レーザビームｌの音響光学偏向器（６）内での帰線
に関し余裕ができる。従って、音響光学偏向器（６）の
開口を大きくすることが可能となり、それに伴なって、
レーザビーム！のビーム径を大きくすることができ、高
解像度の画像を得ることができる。また、ビーム径を大
きくできることから、比較的低アクセスであるが、簡素
な構造の通常の音響光学偏向器、即ち市販されている音
響光学偏向器が使用でき、高解像度化を図ったレーザ描
画装置（Ａ）の構造の簡素化、製造コストの低廉化を同
時に図ることができる。

尚、上記実施例において、レーザ光源（２）と光強度変
調器（４）の代わりにレーザダイオードを用いるように
してもよい。この場合、周波数変換回路（１）からの映
像信号■を直接レーザダイオードに供給して、レーザダ
イオードから映像信号■の輝度信号成分により変調され
たレーザビーム！を出射させる。

また、上記実施例では、垂直偏向手段として垂直定番用
音響光学偏向器（８）を用いたが、その他、ガルバノミ
ラ−やポリゴンミラー等を用いてもよい。

（発明の効果〕 本発明に係るレーザ描画装置によれば、ハイビジョンテ
レビ方式のように、高速の水平ラスター走査が必要であ
る場合においても、従来とほぼ同じ光学系を用いて安価
に水平解像度の高い画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係るレーザ描画装置を示す構成図、
第２図は本例に係る周波数変換回路を示すブロック線図
、第３図はその動作を示すタイムチャート、第４図は水
平走査に関する各パラメータの違いを示す説明図、第５
図は音響光学偏向器の原理を示す説明図、第６図はブラ
ング帯域と偏向角の関係を示す特性図である。 （Ａ）はレーザ描画装置、（１）は周波数変換回路、（
２）はレーザ光源、（３）はビーム縮小レンズ、（４）
は光強度変調器、（５）はビーム拡大レンズ、（６）は
水平走査用音響光学偏向器、（７）は補正シリンドリカ
ルレンズ、（８）は垂直走査用音響光学偏向器、（９）
、　（１０）は拡大投影レンズ、（１１）はスクリーン
である。 代 理 人 松 隈 秀 盛 Ｔ ｈ ３ａ 岑イクｌｎ’ｆ’ｆｌ伊Ｉ吹変１東回許丘泉１フロ・、
７矛畝図第２図 ＃４牡のｌ￥ｌシ灰数受本東ロ茎をの中アイ１１袈事り
Δムナイート３１又り□、゛−ン 第５図 フラ・７７耳沌ビ４斤笥両０閘桃ン泉１年１１函第６図 ７に乎疋促、−７ｖＩｉｚ島ハ″クメーグの１２、を本
ｌ兇Ｂ１１１配第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　レーザビームをラスター走査させて被描画媒体にパタ
   ーン情報を描画するようにしたレーザ描画装置において
   、 一定の周期で送られてくる所定の周波数を有するパター
   ン情報信号を上記一定の周期よりも速い周期で読出して
   、上記所定の周波数よりも高い周波数のパターン情報信
   号に変換する変換手段と、該変換手段からの上記パター
   ン情報信号成分により変調されたレーザビームを水平方
   向に偏向させる水平偏向手段を有して成るレーザ描画装
   置。