JPWO2011142210A1 - 走査光学系およびそれを備えたプロジェクタ - Google Patents
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Abstract
小型化することが可能で、且つ光学部品の取り付け精度を向上し、さらに、光軸の調整が容易となる走査光学系およびそれを備えたプロジェクタを得るために、レーザ光を出射するレーザ光源部1と、レーザ光を投射面に向けて二次元走査する走査ミラー3を有する走査部2と、出射されたレーザ光を所定の方向に導く光学部品と、を備える走査光学系10、20およびそれを備えたプロジェクタ100とし、走査光学系10、20は、光学部品により導かれたレーザ光を走査ミラー3に向けて投射する投射部材(投射プリズム81、83、84)を備えていると共に、この投射部材を走査部2を構成する基板上に固定する構成とした。
Description
本発明は、走査光学系およびそれを備えたプロジェクタに関する。
従来、スクリーンなどの投影面に投影する画像表示装置として、レーザ光を平行化し、その平行化したレーザ光を投影面上において二次元方向(水平方向および垂直方向)に走査するレーザプロジェクタが知られている。
従来のレーザプロジェクタでは、赤色、緑色および青色の三原色のレーザ光を得るために、赤色、緑色および青色のレーザ光を生成するレーザ光源が装置内に装着されている。さらに、レーザ光源に加えて、そこから出射されるレーザ光を走査する走査ミラーなどの光学系も装置内に装着されている。そして、従来では、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)によって構成されたMEMSミラーを走査ミラーとして用いたものが存在する(例えば、特許文献1参照)。
具体的に説明すると、特許文献1には、レーザ光の二次元走査を2つのMEMSミラーによって行うレーザプロジェクタが開示されている。すなわち、この特許文献1のレーザプロジェクタは、2つのMEMSミラーのうちの一方のMEMSミラーでレーザ光を水平方向に走査し、他方のMEMSミラーでレーザ光を垂直方向に走査するように構成されている。
ところで、近年では、携帯電話などのモバイル端末にレーザプロジェクタを搭載するために、レーザプロジェクタの小型化が要求されている。特に、携帯電話においては小型化が進んでいるため、携帯電話に搭載するレーザプロジェクタのさらなる小型化は必須である。しかしながら、特許文献1のレーザプロジェクタでは、MEMSミラーを走査ミラーとして用いることで、ある程度は小型になっているが、携帯電話への搭載を考慮すると、そのサイズは未だ大き過ぎるという問題がある。
また、走査光学系を小型化すると、走査ミラーにレーザ光を導光する光学部品の取り付け精度をさらに上げると共に、光軸の調整も容易とすることが要求される。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、小型化することが可能で、且つ光学部品の取り付け精度を向上し、さらに、光軸の調整が容易となる走査光学系およびそれを備えたプロジェクタを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、前記レーザ光を投射面に向けて二次元走査する走査ミラーを有する走査部と、出射されたレーザ光を所定の方向に導く光学部品と、前記光学部品により導かれた前記レーザ光を、前記走査ミラーに向けて投射する投射部材と、を備え、前記投射部材を、前記走査部を構成する基板上に固定した走査光学系としたことを特徴としている。
上記の構成によると、投射部材を走査部に固定する構成となるので、走査光学系の厚みを薄くすることができ、小型化することが可能となる。また、走査ミラーに対する投射部材の取り付け精度を上げることができ、光軸の調整も容易となる。なお、走査光学系の厚みとは、非駆動状態の走査ミラーの反射面の法線方向に沿った方向の厚みのことである。
また本発明のプロジェクタは、上記の構成の走査光学系を備えている。この構成によると、容易にプロジェクタを小型化することができる。
本発明によれば、小型化することが可能で、且つ光学部品の取り付け精度を向上し、さらに、光軸の調整が容易となる走査光学系およびそれを備えたプロジェクタを得ることができる。
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。また、同一構成部材については同一の符号を用い、詳細な説明は適宜省略する。
本実施形態に係るプロジェクタ100は、例えば図8に示すように、携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)などのモバイル端末40に搭載されるものである。従って、このプロジェクタ100は、モバイル端末40内の小さなスペースに収納することが可能な程度に小型化されている。
プロジェクタ100の光源としてはレーザ光を生成するものが用いられており、投影面41上においてレーザ光を水平方向(H方向)および垂直方向(V方向)に走査することによって、プロジェクタ100に入力された画像情報を投影面41に投影するようになっている。この投影面41としては、別途準備したスクリーンでもよいが、スクリーン以外のものでもよい。例えば、壁面などを投影面41としてもよい。
また、プロジェクタ100に入力された画像情報の色調の再現については、光の三原色である赤色、緑色および青色のレーザ光を高速で強度変調し、それらを合成することによって行われる。この場合、赤色のレーザ光の波長は、例えば、約640nmに設定されるとともに、緑色のレーザ光の波長は、例えば、約530nmに設定される。また、青色のレーザ光の波長は、例えば、約450nmに設定される。
次に、前述したプロジェクタが備える走査光学系について、図1〜図3を用いて第一実施形態の走査光学系およびその変形例について説明し、図4、図5を用いて第二実施形態の走査光学系について説明する。
図1A、図1B、図2に示す第一実施形態の走査光学系10および図4、図5に示す第二実施形態の走査光学系20は、共に、赤色、緑色および青色の三色のレーザ光を生成して平行化した後に、それらを合成して走査するように構成されている。すなわち、それぞれの走査光学系は、レーザ光を出射するレーザ光源部1と、平行化されたR、G、Bのレーザ光を合成する光学系と、合成されたレーザ光を所定の光路方向に導く光学部品と、導かれたレーザ光を投影面に向けて射出して二次元走査する走査ミラー3を有する走査部2とを備えており、それらが、所定のケース部材10a、20aに収納された構成となっている。なお、図中において、レーザ光は二点鎖線で表している。
レーザ光源部1は、赤色、緑色および青色のレーザ光を生成するためのものである。以下、赤色のレーザ光を生成するレーザ光源部1をレーザ光源部1−Rと言うとともに、緑色のレーザ光を生成するレーザ光源部1をレーザ光源部1−Gと言う。また、青色のレーザ光を生成するレーザ光源部1をレーザ光源部1−Bと言う。
レーザ光源部1−Rは、発光強度が強く、かつ、強度の高速変調が可能な赤色半導体レーザからなっている。このレーザ光源部1−Rとしての赤色半導体レーザは、CANパッケージタイプであり、ステムと称される放熱基台にレーザチップが取り付けられ、そのレーザチップが保護部材であるキャップで覆われた構造となっている。
レーザ光源部1−Gは、図2に示す、CANパッケージタイプの緑色半導体レーザでも、図4に示す、赤外半導体レーザと波長変換素子とを組み合わせたものであって、赤外半導体レーザからのレーザ光の波長を波長変換素子で1/2に波長変換することにより緑色のレーザ光を生成する構成のものでもよく、特に限定されるものではない。ただし、赤外半導体レーザと波長変換素子とを組み合わせたものの方が効率がよい。
レーザ光源部1−Bは、発光強度が強く、かつ、強度の高速変調が可能なCANパッケージタイプの青色半導体レーザからなっており、その構造はレーザ光源部1−Rと略同じである。
また、走査部2は、合成後のレーザ光を二次元走査するためのものであって、合成後のレーザ光を投影面41(図8参照)に向けて射出する走査ミラー3を少なくとも有している。この走査ミラー3の傾斜角は変動可能となっており、走査ミラー3の傾斜角を変動させることにより、走査部2による合成後のレーザ光の二次元走査が行われる。
ここで、本実施形態では、走査ミラー3をMEMS(微小電気機械システム)に組み込み、その走査ミラー3が組み込まれたMEMSを走査部2としている。また、この走査部2は、略平坦で厚みが小さく、かつ、その外形が平面視(図2参照)において略正方形状(例えば、1辺の長さが約1cm)となっている。
具体的な構造としては、図6に示すように、走査部2はシリコン基板に対してエッチング処理などを施すことで得られる構造体からなっており、走査ミラー3に加えて、固定枠4、駆動部5および可動枠6などを一体的に有している。なお、以下の説明では、走査ミラー3の中心を図6の横方向に横切る軸をX軸とし、走査ミラー3の中心を図6の縦方向に横切る軸をY軸とする。言い換えると、X軸とY軸とが直交する点を走査ミラー3の中心とする。
固定枠4は、走査部2の外縁に相当する部分であって、他の部分(走査ミラー3、駆動部5および可動枠6など)を取り囲んでいる。
駆動部5は、X軸方向において固定枠4と細い接続梁で接続され、Y軸方向において固定枠4と連結されている。さらに、駆動部5は4つのユニモルフ構造を含んでいるとともに、その4つのユニモルフ構造がX軸およびY軸のそれぞれを対称軸として対称となり、かつ、互いに離間した状態となるように配置されている。また、駆動部5としてのユニモルフ構造は、図7に示すように、圧電素子(PZTなどを原料とした焼結体を分極処理したもの)5aを一対の電極5bで挟持し、それをシリコン基板の駆動部5となる領域上に貼り付けることによって形成されている。尚、本実施形態ではユニモルフ構造の圧電素子を使用しているが、バイモルフ構造など他の構造のものを用いても構わない。
このような駆動部5では、一対の電極5bに電圧が印加されると、一対の電極5bに挟持された圧電素子5aが伸長または収縮する。そして、圧電素子5aが伸長または収縮すると、それに応じて、シリコン基板の駆動部5となる領域が厚み方向に撓む。すなわち、駆動部5は、電力が供給されることで駆動する。
また、図6に示すように、可動枠6は、駆動部5の内側に位置する略ひし形形状の枠である。この可動枠6のX軸上の両端部は駆動部5と連結され、それ以外の部分は駆動部5から分離されている。これにより、可動枠6は、X軸周りに回動可能となっている。
可動枠6の内側には、Y軸方向に沿って延びる一対のトーションバー7が設けられている。この一対のトーションバー7は、Y軸と重なり、かつ、X軸に対して対称となるように配置されている。さらに、一対のトーションバー7のそれぞれの一方端は、可動枠6のY軸上の端部に連結されている。
そして、走査ミラー3は、一対のトーションバー7のそれぞれの他方端の間に配置されており、その他方端によって支持されている。このため、走査ミラー3は、可動枠6と共にX軸周りに回動され、トーションバー7を回動軸としてY軸周りに回動されることになる。なお、走査ミラー3は、略円形状に形成されており、金やアルミニウムなどからなる反射膜をシリコン基板の走査ミラー3となる領域上に成膜することで得ている。
本実施形態の走査部2は、上記のような構造となっている。そして、この走査部2の走査動作は、4つの駆動部5を駆動させるタイミングを調整し、走査ミラー3をX軸周りおよびY軸周りに振動させることによって行われる。例えば、X軸周りに振動するときの周波数は約60Hzに設定され、Y軸周りに振動するときの周波数は約30kHzに設定される。
4つの駆動部5のそれぞれに5−1〜5−4の符号を付して具体的に説明すると、走査ミラー3をX軸周りに振動させる際には、駆動部5−1および5−3を一方の組とするとともに、駆動部5−2および5−4を他方の組とし、一方の組および他方の組のそれぞれに印加する電圧の正負を反転させる。この場合、一方の組である駆動部5−1および5−3がZ(+)(紙面垂直)方向に変形すると、他方の組である駆動部5−2および5−4がZ(−)方向に変形し、一方の組である駆動部5−1および5−3がZ(−)方向に変形すると、他方の組である駆動部5−2および5−4がZ(+)方向に変形する。これにより、走査ミラー3が可動枠6と共にX軸周りに振動し、走査ミラー3の傾きがX軸周りに変動する。なお、トーションバー7のねじれ方向はX軸周りの振動方向と直交する方向であるため、この走査ミラー3のX軸周りの振動には影響しない。
また、走査ミラー3をY軸周りに振動させる際には、駆動部5−1および5−2を一方の組とするとともに、駆動部5−3および5−4を他方の組とし、一方の組および他方の組のそれぞれに印加する電圧の正負を反転させる。この場合、一方の組である駆動部5−1および5−2がZ(+)方向に変形すると、他方の組である駆動部5−3および5−4がZ(−)方向に変形し、一方の組である駆動部5−1および5−2がZ(−)方向に変形すると、他方の組である駆動部5−3および5−4がZ(+)方向に変形する。これにより、走査ミラー3が可動枠6と共にY軸周りに振動し、走査ミラー3の傾きがY軸周りに変動する。
このとき、駆動部5を変形させることのみで走査ミラー3をY軸周りに傾かせようとすると、走査ミラー3のY軸周りの傾きの変動は小さくなってしまう。このため、実際に走査動作を行う際には、駆動部5に印加される電圧の周波数によって走査ミラー3が共振するように、駆動部5への印加電圧の周波数が設定される。すなわち、走査ミラー3のY軸周りの振動は、走査ミラーの共振周波数を基準としてなされる。
上記のように走査部2を動作させることで、互いに直交している2軸周りに走査ミラー3を回動させることができ、合成後のレーザ光を1つの走査ミラー3で二次元走査することが可能となる。また、走査ミラー3を回動可能に支持する可動枠6と、この可動枠6を駆動する駆動部5とが本発明の可動部分に相当する。
次に、上記した走査ミラーを組み込んだ微小電気機械システムによって構成されている走査部を備えた走査光学系10について説明する。図1Aおよび図2に示す第一実施形態の走査光学系10は、赤色、緑色および青色のレーザ光が、図中の二点鎖線に示すような光路をとるように構成されている。すなわち、赤色、緑色および青色のレーザ光を平行化した後、それらを複数個の光学部品で反射することによって、赤色、緑色および青色のレーザ光を走査ミラー3に向かって進行させている。また、互いに異なる2つの光学部品の間の光路を1つの光路とした場合に、非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aの法線方向N(図1A参照)に対して、少なくとも2つの光路を含む平面を直交させている。以下に、赤色、緑色および青色のレーザ光の光路について詳細に説明する。
この第一実施形態の走査光学系10は、ケース部材10aの内部において、図2の上側にレーザ光源部1−Rが設置され、下側にレーザ光源部1−Gおよび1−Bが設置されている。さらに、レーザ光源部1−Rは図の下向きに出射し、1−Gおよび1−Bは図に上向きに出射する。出射されたレーザ光は、それぞれ光学部品を介して導かれ、クロスダイクロイックプリズム21により合成されて、走査ミラー3に投射される。
また、走査ミラー3の斜め上方付近(図1A参照)には、合成後のレーザ光を走査ミラー3に投射するための投射部材として投射プリズム81が配置されている。すなわち、この投射プリズム81によって、合成後のレーザ光が走査ミラー3に向けて投射される。なお、投射プリズム81は、反射面と脚部を一体的に形成することにより反射面と脚部の寸法精度が向上し、部品間の光軸の調整が不要になるという利点がある。
具体的な光路としては、図2で示されているように、赤色のレーザ光は、レーザ光源部1−Rから出射された後、レンズ光学系11、クロスダイクロイックプリズム21から投射プリズム81を経由し、投射プリズム81で反射されることによって走査ミラー3に投射される。
なお、レンズ光学系11は、レーザ光を発散光から平行光にするためのものである。クロスダイクロイックプリズム21は、緑色のレーザ光を透過し、赤色および青色のレーザ光を反射するものであり、図2に示すように配置することで、赤色、青色および緑色のレーザ光を合成する機能を持つ。このクロスダイクロイックプリズム21は、本発明の「光学部品」の一例である。
この赤色のレーザ光においては、レンズ光学系11で平行化された後、光路を同一の平面内にとっている。すなわち、赤色のレーザ光は、レンズ光学系11で平行化された後に、同一の平面内において、クロスダイクロイックプリズム21および投射プリズム81をこの順番で経由している。
緑色のレーザ光は、レーザ光源部1−Gから出射された後、レンズ光学系17、折り曲げミラー15、クロスダイクロイックプリズム21および投射プリズム81をこの順番で経由し、投射プリズム81で反射されることによって走査ミラー3に投射される。
なお、レンズ光学系17は、レーザ光を発散光から平行光にするためのものである。折り曲げミラー15は、レーザ光の進行方向を単に変化させるためのものであって、本発明の「光学部品」の一例である。
この緑色のレーザ光においては、レンズ光学系17で平行化された後、光路を同一の平面内にとっている。すなわち、緑色のレーザ光は、レンズ光学系17で平行化された後に、同一の平面内において、折り曲げミラー15、クロスダイクロイックプリズム21および投射プリズム81をこの順番で経由している。
青色のレーザ光は、レーザ光源部1−Bから出射された後、レンズ光学系19からクロスダイクロイックプリズム21および投射プリズム81をこの順番で経由し、投射プリズム81で反射されることによって走査ミラー3に投射される。なお、レンズ光学系19は、レーザ光を発散光から平行光にするためのものである。
この青色のレーザ光においては、レンズ光学系19で平行化された後、光路を同一の平面内にとっている。すなわち、青色のレーザ光は、レンズ光学系19で平行化された後に、同一の平面内において、クロスダイクロイックプリズム21および投射プリズム81をこの順番で経由している。
そして、本実施形態では、赤色、緑色および青色のレーザ光の全てにおいて、投射プリズム81に至る光路が同一の平面内に含まれており、その平面が非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aの法線方向Nと直交している。言い換えると、上記の平面が非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aに対して平行になっている。この構成であれば、走査部2と平行な面に光路を形成するように光学系を配置することができ走査部2の厚みを小さくして、走査光学系10を薄型にすることが可能となる。
また本実施形態では、合成されたレーザ光を走査ミラー3に向けて投射する投射プリズム81を、走査ミラー3に対してクロスダイクロイックプリズム21と反対側の位置に配置する構成としている。そのために、図1Aに示すように、クロスダイクロイックプリズム21から導光される入射光R1が、非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aに対して平行に進行して、走査ミラー3の向こう側に設置される投射プリズム81に入射し、この投射プリズム81から反射されて投射光R2として走査ミラー3に向けて投射されている。
また、走査ミラー3から射出光R3が射出されるが、この射出光R3は、投射光R2とは逆方向に射出されていて、入射光R1と交差する光路を形成している。このように、投射プリズム81などの投射部材と干渉しない方向に射出される構成となるため、投射プリズム81を、走査ミラー3に近接した位置に設置可能となる。その結果、光路を形成する空間領域をコンパクトにすることが可能となり、走査光学系の厚みを薄くすることができる。もしも、投射部材の位置している方向に射出される構成であれば、射出光が投射部材に干渉しないように、投射部材の配設高さや傾きを考慮して配置する必要が生じてしまい、走査光学系の小型化を図る際に障害となって好ましくない。
さらに、本実施形態では、入射光R1を走査ミラー3に向けて投射する投射部材として用いる投射プリズム81をこの走査ミラー3を備える走査部2を構成する基板上に固定する構成としている。
例えば、図1Bに示すように、走査ミラー3を跨いで走査部2の固定部となる固定枠4に固定される脚部81bを介して投射プリズム81をこの固定枠4上に固定する。つまり、ケース部材10aなどの支持部材に固定枠4を固定し、この固定枠上に投射プリズム81を固定する。また、走査ミラー3を回動可能に支持する可動枠6や駆動部5などの可動部分との接触を避ける凹部81cを備えた形状として、走査ミラー3の変位を妨害しない構成とされている。
このように、走査部2が備える固定部(固定枠4)に投射部材(投射プリズム81)を固定することで、走査部2と投射部材との相対位置を正確にして、走査ミラー3に対する投射部材の取り付け精度を上げることができる。
もしも投射部材を走査部2と離れた位置に配置するとすれば、投射部材と走査部間の距離や角度、光軸等の調整が必要であるが、本実施形態のように投射部材を走査部2の固定枠4上に直接固定すれば、少なくとも走査部の法線方向における光軸等の調整が不要となる。すなわち、光軸の調整は、走査部2上に固定された投射部材と他の光学部品(例えばクロスダイクロイックプリズム21など)との間でのみ行えばよく、投射部材と走査部間の光軸調整は不要であるため、走査光学系全体で見た場合、光軸の調整が容易となる。尚、固定枠4の上面と、投射プリズム81の脚部の底面の各々(即ち、固定される各面上)には、一般的にアライメントマークと呼ばれる位置決めを表す目印が記されており、このマークが一致するように、投射プリズム81を固定枠4上に配置し、固定することにより、固定枠4上の水平方向における位置決めが精度よく行われる。また、投射部材を走査部の固定枠上に直接固定するため、投射部材と走査部の間のスペースが不要になり、走査光学系の厚みを薄くすることができる。
また、図1Bの実線で示された投射プリズム81は、脚部全体が固定枠4上に固定されている構造である。しかし、投射プリズム81が、固定枠4上の所定の位置に固定できる位置決め面81dを備えた構成であれば、投射プリズム81の脚部全体が固定枠4上に固定されていなくてもよく、図1Bの点線で示されているように、走査部2と投射プリズム81の脚部の一部がそれぞれケース部材10aなどの支持部材に固定された構成であってもよい。すなわち、固定枠4に位置決め面を固定すると共に、走査ミラー3を跨ぐようにして支持部材に固定される脚部81Abと、走査ミラー3を回動可能に支持する可動枠6を含む可動部分との接触を避ける凹部81cを備えた形状の投射プリズム81Aとして、投射プリズム81Aをこの走査部2を構成する基板上に固定する。
尚、ここでいう固定とは、二つの部材(例えば、投射部材と固定枠)との接触面が接着剤等の材料又はネジ等の部品によって直接固定されていなくてもよく、上述のように、投射プリズムの脚部81Abを支持部材であるケース部材10aに接着剤等で固定することにより、間接的に投射プリズム81Aが固定枠4に固定されることも含む。要は、投射部材と固定枠との位置関係が変わらない状態が保たれていることをいう。
また、投射プリズム81に設けられた、走査ミラー3を回動可能に支持する可動枠6や駆動部5などの可動部分との接触を避ける凹部81cについては、必ずしも図1Bに示された凹部形状でなくてもよい。駆動部5などの可動部分との接触を避けることができる形状であれば何でもよく、例えば、半球状の窪みであってもよい。
上記したように、走査ミラー3の可動枠6を含む可動部分と干渉する部位を凹部形状として走査部2を構成する基板上に固定する構成の投射プリズム81、81Aであれば、可動する走査ミラー3の変位を邪魔しない近接した位置に投射部材を正確に設置可能となる。そのために、走査光学系10の小型化を図りながら、走査ミラー3に対する投射部材の取り付け精度を上げることが可能となる。
走査部2とは別の部材に投射部材を取り付ける構成の場合であっても、投射部材が、走査部2の固定枠4に対して固定される位置決め面を備える構成であれば、走査部2に対する投射部材の位置合わせが容易となって、コンパクトに精度よく取り付けることができる。
また、投射部材として、レーザ光を走査ミラー3に向けて反射する反射面と、固定部(固定枠4)に対して固定される位置決め面とを一体的に備えた投射プリズム81、81Aを用いることで、走査光学系の小型化を図ることが容易となる。
図2に示す第一実施形態の走査光学系10は、レーザ光源部1(1−R、1−G、1−B)と、出射されたレーザ光を平行化するレンズ光学系および平行化されたレーザ光を所定の方向に導く光学部品が、走査部2とは離れた位置に設けられている。つまり、光学部品が走査ミラーを組み込んだ微小電気機械システム(MEMS)の上部以外に配置されているので、平面積は大きくなるが、より薄型化が可能な構成となる。
また、入射光R1を走査ミラー3に向けて反射する投射プリズム81の投射面81a(図1A参照)を半透鏡として入射光R1の一部を透過させ、透過光R4をプリズム体内部で全反射させて光検出器(例えば、フォトダイオード82)に導光して、レーザ光の光量を検出することができる。この構成であれば、レーザ光の出力を検知可能となるので、レーザ光出力を容易に調節することができる。
次に図3に示す第一実施形態の変形例について説明する。この変形例は、先に示した走査光学系10において、投射プリズム81に替えて投射プリズム83を用いたものである。この投射プリズム83は投射プリズム81と設置位置が異なり、クロスダイクロイックプリズム21と走査ミラー3との間に配置されている。
図示するように、投射プリズム83は、クロスダイクロイックプリズム21から導かれる入射光R1が入射する入射面83aと、走査ミラー3に向かう投射光R2Bを投射する投射面83dを備えている。また、投射プリズム83に入射したレーザ光R2Aを内部に反射する第一反射面83b、第二反射面83cを備えている。第一、第二反射面83b、83cが全反射する反射面であれば、入射光R1を全て反射するレーザ光R2Aとしてプリズム内部を進行させ、投射面83dから投射光R2Bとして投射することが可能となる。
また、第一反射面83b、第二反射面83cのいずれか一方の反射面を、プリズム内部を進行するレーザ光R2Aの一部を透過する半透過型として、透過光をフォトダイオードなどの光検出器に導光してレーザ光の光量を検出してレーザ光出力を調節する構成としてもよい。
投射光R2Bが投射面83dから走査ミラー3に向けて投射されると、走査ミラー3の反射面3aから射出光R3が射出される。この射出光R3が射出される方向は、投射光R2Bとは逆の斜め方向である。この構成であれば、投射プリズム83が走査ミラー3に接近した位置にあっても、走査ミラー3が射出する射出光R3を投射プリズム83が遮ることがなく、走査光学系を薄型に、また、小型にすることが可能となる。
上記の構成の投射プリズム83は、走査部2の固定枠に対して固定される位置決め面81dを備える脚部を持つ。さらに脚部は、走査部2の基板端面に対して位置決めするための位置決め面81eを持つことで、組立時に図の水平方向の位置決めが容易となり、走査ミラー3と投射プリズム83の位置関係が、精度よく決定される。また、脚部とケース部材10aを構成する台板との間は僅かな隙間を持ち、この隙間に例えば接着剤を充填して、脚部をケース部材10aに固定することにより、走査部と投射部材とが互いに固定される構成としてもよい。また、走査ミラー3を回動可能に支持する可動枠6を含む可動部分との接触を避ける凹部を備えた形状であることが好ましい。この構成であれば、可動する走査ミラー3の変位を邪魔しない近接した位置に投射部材を正確に設置可能となるので、走査光学系10の小型化を図りながら、走査ミラー3に対する投射部材の取り付け精度を上げることが可能となる。
次に、第二実施形態の走査光学系20について図4および図5を用いて説明する。この走査光学系20も前述した走査光学系10と同様に、レーザ光源部1と、走査部2と、レーザ光を走査部2に導くミラーなどの複数個の光学部品とを備えている。また、それらが、所定のケース部材20aに収納された構成となっている。なお、図中において、レーザ光は二点鎖線で表している。
走査光学系20は、平面視(図4参照)において、レーザ光の光路の少なくとも一部が走査部2と重畳する領域に配置されている。具体的に言うと、赤色および青色のレーザ光の大部分が、走査部2上の領域に光路をとっている。また、緑色のレーザ光については、折り曲げミラー15で反射された後は走査部2上の領域に光路をとっているが、それ以前は走査部2上の領域に光路をとっていない。
レーザ光源部1は、先に示した通り、赤色のレーザ光を生成するレーザ光源部1−Rと、緑色のレーザ光を生成するレーザ光源部1−Gと、青色のレーザ光を生成するレーザ光源部1−Bを備えている。
レーザ光源部1−Rとレーザ光源部1−Bは、共にCANパッケージタイプのレーザ光源部である。また、レーザ光源部1−Gは、例えば、赤外半導体レーザと波長変換素子とを組み合わせたものを使用しており、赤外半導体レーザからのレーザ光の波長を波長変換素子で1/2に波長変換することにより緑色のレーザ光を生成するようになっている。なお、レーザ光源部1−Gの構造としては特に限定されるものではないが、赤外半導体レーザと波長変換素子とを組み合わせたものの方が効率がよい。
ところで、本実施形態では、赤色、緑色および青色のレーザ光が、図4および図5に示すような光路(図中の二点鎖線)をとるように構成されている。すなわち、赤色、緑色および青色のレーザ光を平行化した後、それらを複数個の光学部品で反射することによって、赤色、緑色および青色のレーザ光を走査ミラー3に向かって進行させている。以下に、赤色、緑色および青色のレーザ光の光路について詳細に説明する。
まず、ケース部材20aの内部において、図4の上側から下側に向かって、レーザ光源部1−G、1−Rおよび1−Bがこの順番で並べられている。さらに、レーザ光源部1−R、1−Gおよび1−Bは、それぞれの出射方向が互いに同じ方向になり、かつ、それぞれの出射方向が非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aに対して平行になるように配置されている。また、レーザ光源部1は、平面視において、それぞれの一部を走査部2と重畳して配置することができる。例えば、本実施形態においては、レーザ光源部1−Rおよび1−Bの光出射側の大部分が走査部2と重畳した状態となっている。そのため、走査光学系の平面積を小さくすることができる。
また、走査ミラー3の斜め上方付近には、合成後のレーザ光を走査ミラー3に投射するための投射プリズム84が配置されている。すなわち、この投射プリズム84によって、合成後のレーザ光が走査ミラー3に向けて反射される。
具体的な光路としては、赤色のレーザ光は、レーザ光源部1−Rから出射された後、レンズ光学系11、折り曲げミラー12、ダイクロイックミラー13、ダイクロイックミラー14、折り曲げミラー15および投射プリズム84をこの順番で経由し、投射プリズム84で反射されることによって走査ミラー3に投射される。
なお、レンズ光学系11は、レーザ光を発散光から平行光にするためのものである。折り曲げミラー12および15は、レーザ光の進行方向を単に変化させるためのものであって、本発明の「光学部品」の一例である。ダイクロイックミラー13は、赤色のレーザ光を透過し、青色のレーザ光を反射するものであり、図4に示すように配置することで、赤色および青色のレーザ光を合成する機能を持つ。また、ダイクロイックミラー14は、赤色および青色のレーザ光を反射し、緑色のレーザ光を透過するものであり、図4に示すように配置することで、赤色、緑色および青色のレーザ光を合成する機能を持つ。これらダイクロイックミラー13および14も、本発明の「光学部品」の一例である。
この赤色のレーザ光においては、レンズ光学系11で平行化された後、光路を同一の平面内にとっている。すなわち、赤色のレーザ光は、レンズ光学系11で平行化された後に、同一の平面内において、折り曲げミラー12、ダイクロイックミラー13、ダイクロイックミラー14および折り曲げミラー15をこの順番で経由している。
緑色のレーザ光は、レーザ光源部1−Gから出射された後、折り曲げミラー16、レンズ光学系17、折り曲げミラー18、ダイクロイックミラー14、折り曲げミラー15および投射プリズム84をこの順番で経由し、投射プリズム84で反射されることによって走査ミラー3に投射される。なお、緑色のレンズ光学系17は2枚で構成されているが、1枚で構成してもよい。
なお、レンズ光学系17は、レーザ光を発散光から平行光にするためのものである。折り曲げミラー18は、レーザ光の進行方向を単に変化させるためのものであって、本発明の「光学部品」の一例である。折り曲げミラー16については、他の折り曲げミラーと同様の機能を持つが、平行化される前のレーザ光を反射するように配置されている。すなわち、緑色のレーザ光は、出射直後に折り曲げミラー16に入射することで進行方向を変えた後、レンズ光学系17によって平行化される。
この緑色のレーザ光においては、レンズ光学系17で平行化された後、光路を同一の平面内にとっている。すなわち、緑色のレーザ光は、レンズ光学系17で平行化された後に、同一の平面内において、折り曲げミラー18、ダイクロイックミラー14および折り曲げミラー15をこの順番で経由している。
青色のレーザ光は、レーザ光源部1−Bから出射された後、レンズ光学系19、ダイクロイックミラー13、ダイクロイックミラー14、折り曲げミラー15および投射プリズム84をこの順番で経由し、投射プリズム84で反射されることによって走査ミラー3に投射される。なお、レンズ光学系19は、レーザ光を発散光から平行光にするためのものである。
この青色のレーザ光においては、レンズ光学系19で平行化された後、光路を同一の平面内にとっている。すなわち、青色のレーザ光は、レンズ光学系19で平行化された後に、同一の平面内において、ダイクロイックミラー13、ダイクロイックミラー14および折り曲げミラー15をこの順番で経由している。
そして、本実施形態では、赤色、緑色および青色のレーザ光の全てにおいて、投射プリズム84に至る光路が同一の平面内に含まれており、その平面が非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aの法線方向Nと直交している。言い換えると、上記の平面が非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aに対して平行になっている。そのため、走査光学系の厚みを薄くすることができる。
また、本実施形態では、平面視(図4参照)において、上記の平面内に含まれる光路の少なくとも一部が走査部2と重畳する領域に配置されている。具体的に言うと、赤色および青色のレーザ光が、ダイクロイックミラー14に入射される少し前まで走査部2上の領域に光路をとっており、折り曲げミラー15で反射された後に、再び走査部2上の領域に光路をとっている。なお、この実施形態では、レーザ光源部1−Rおよび1−Bのそれぞれの光出射側の大部分が完全に走査部2と重畳する領域に位置しているため、赤色および青色のレーザ光は出射直後から走査部2上の領域に光路をとることになる。一方、緑色のレーザ光については、折り曲げミラー15で反射された後は走査部2上の領域に光路をとっているが、それ以前は走査部2の近傍外縁に沿って光路をとることにより、走査部2以外の領域の面積を小さく抑えている。
上記したように、本実施形態によれば、レーザ光源部1および複数の光学部品の一部を走査部2と重畳させることで、走査光学系20の平面積を容易に小さくすることができる。
また本実施形態では、合成されたレーザ光を走査ミラー3に向けて反射する投射プリズム84を、走査ミラー3に対して折り曲げミラー15と反対側の位置に配置する構成としている。そのために、図5に示すように、折り曲げミラー15から反射された入射光R1が、非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aに対して平行に進行して、走査ミラー3の向こう側に設置される投射プリズム84に入射し、この投射プリズム84の投射面84aから反射されて投射光R2として走査ミラー3に向けて投射されている。
また、走査ミラー3から射出光R3が射出されるが、この射出光R3は、投射光R2とは逆方向に射出されていて、入射光R1と交差する光路を形成している。このように、投射プリズム84などの投射部材と干渉しない方向に射出される構成となるため、投射プリズム81を、走査ミラー3に近接した位置に設置可能となり、走査光学系の厚みを薄くすることができる。もしも、投射部材の位置している方向に射出される構成であれば、射出光が投射部材に干渉しないように、投射部材の配設高さや傾きを考慮して配置する必要が生じてしまい、走査光学系の小型化を図る際に障害となって好ましくない。
本実施形態では、投射部材と走査ミラー3を挟んで対向する位置に、レーザ光を投射部材に導光する光学部品としての折り曲げミラー15を設けて、入射光の光路を走査ミラー3の非駆動状態の反射面3aに対して平行な光路とし、走査ミラー3の上を平行に通過する入射光を投射部材が反射面3aに向けて斜めに反射し、当該反射面3aから入射光とは逆の斜め方向に射出している。このように、投射光R2とは逆方向に射出光R3を射出しているので、投射部材が射出光R3を遮ることがなく、投射部材を走査部2に近接した位置に設置可能となる。そのために、投射部材に向かう入射光R1の光路を、非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aに対して近接した平行な光路とすることができ、走査光学系の薄型化および小型化を図ることが可能となる。
つまり、本実施形態では、導かれるレーザ光を走査ミラー3に向けて投射する投射部材(投射プリズム84)に入射する入射光R1と、走査ミラー3から射出する射出光R3とが交差する位置に、且つ、走査部に近接した位置に、前記投射部材を配置しているので、光路を形成する空間領域をコンパクトにすることが可能となり、走査光学系の厚みを薄くすることができ、走査光学系を小型化することが可能となる。
上記の構成の投射プリズム84も、走査部2の固定部となる固定枠4に、当該プリズムの脚部が固定されている。または、固定枠4に、当該プリズムの脚部に備えられた位置決め面が固定されていてもよい。また、走査ミラー3を回動可能に支持する可動枠や駆動部などの可動部分との接触を避ける凹部を備えている。この構成であれば、可動する走査ミラー3の変位を邪魔しない近接した位置に投射部材を正確に設置可能となるので、走査光学系20の小型化を図りながら、走査ミラー3に対する投射部材の取り付け精度を上げることが可能となる。
また、投射面84aを半透鏡として入射光R1の一部を透過させ、この透過光R4を投射プリズム84の内部を全反射させながら光検出器(例えば、フォトダイオード82)に導光して、光量を検出することができる。この構成であれば、レーザ光の出力を検知可能となるので、レーザ光出力を容易に調節することができる。
上記したように、レーザ光を走査ミラー3に向けて反射する投射部材を、レーザ光の一部を透過する半透過型とし、透過光を光検出器に導光して前記レーザ光の光量を検出することで、走査光学系の小型化を図りながらレーザ光の出力を検知可能となって、レーザ光出力を調節して安定した画像を担保することが可能となる。
以上、説明したように、本実施形態に係る走査光学系は、薄型化を図ることが可能となって、容易に小型化することができる。また、走査ミラーに対する投射部材の取り付け精度を上げることができ、光軸の調整も容易となり、所望のレーザ光を正しく走査ミラーに入射し投影面を走査することができるので、レーザ光が走査部の走査ミラー以外の可動しない部分に反射され、強度の高いレーザ光が人の眼にダメージを与えるといったリスクを軽減することができる。
例えば、上記のように、圧電素子を駆動源とした構造により、互いに直交している2軸周りに回動可能とされる走査ミラー3を組み込んだMEMS(微小電気機械システム)で走査部2を構成することによって、走査部2の厚みを小さくすることができ、走査光学系10、20を薄型にするのが容易となる。また、互いに直交している2軸周りに走査ミラー3を回動させるので、合成後のレーザ光の二次元走査を1つの走査ミラー3で行う走ことができるようになり、合成後のレーザ光の二次元走査を2つの走査ミラーで行う必要がなくなる。これにより、走査ミラー用の設置スペースが小さくなるので、走査光学系10、20のさらなる小型化を図ることが可能となる。
また、上記のように、走査ミラー3が圧電素子5aで駆動されるように構成することによって、圧電素子5aは薄型の構造で走査ミラー3を駆動させることができるので、圧電駆動方式の走査部2は非常に薄型となる。
また、上記のように、レーザ光源部1−R、1−Gおよび1−Bのそれぞれの出射方向が、非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aに対してほぼ平行となるように構成することによって、容易に、非駆動状態の走査ミラー3の反射面3aの法線方向Nと直交する平面内に少なくとも2つの光路を配置することができ、走査光学系の厚みを薄くすることができる。また、レーザ光源部1および複数の光学部品の一部を走査部2と重畳させることで、走査光学系20の平面積を容易に小さくすることができる。
また、上記のように、投射部材を走査部を構成する基板上に固定しているので、走査光学系の厚みを薄くすることができ、小型化することが可能となる。また、走査ミラーに対する投射部材の取り付け精度を上げることができ、光軸の調整も容易となる。
上記の各実施形態では、投射部材として投射プリズムを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば投射ミラーなど、走査部の固定枠上に固定できる部材で、光を反射または透過する機能を持つ部材であれば何でもよい。
以上、本発明に係る走査光学系について、モバイル端末用プロジェクタの実施形態を中心に説明したが、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載およびこれと均等なものの範囲内で様々な変形が可能なことは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
例えば、上記実施形態では、携帯電話やPDAなどのモバイル端末にプロジェクタを搭載する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、モバイル端末以外の装置にプロジェクタを搭載するようにしてもよい。また、プロジェクタ単体で使用可能となるように構成してもよい。
また、上記実施形態では、図2および図4に示した状態となるように光学部品を配置したが、本発明はこれに限らず、光学部品の配置位置や使用個数は用途に応じて変更可能である。
また、上記実施形態では、走査部に圧電素子を組み込み、その圧電素子を利用して走査ミラーを駆動するようにしたが、本発明はこれに限らず、走査ミラーの駆動手段としてはどのようなものであってもよい。ただし、圧電素子を用いた方が走査部の薄型化を図り易い。
以上説明したように、本発明に係る走査光学系およびそれを備えたプロジェクタによれば、小型化することが可能で、且つ光学部品の取り付け精度を向上し、さらに、光軸の調整が容易となる走査光学系およびそれを備えたプロジェクタを得ることができる。
そのために、本発明に係る走査光学系およびそれを備えたプロジェクタは、小型化を目指すモバイル端末用のレーザプロジェクタに好適に適用することができる。
1、1−R、1−G、1−B レーザ光源部
2 走査部
3 走査ミラー
3a 反射面
4 固定枠
5a 圧電素子
10 走査光学系(第一実施形態)
20 走査光学系(第二実施形態)
21 クロスダイクロイックプリズム
11、17、19 レンズ光学系
12、15、16、18 折り曲げミラー(光学部品)
13、14 ダイクロイックミラー(光学部品)
41 投影面
81、83、84 投射プリズム(投射部材)
81a、83d、84a 投射面
81b 脚部
81c 凹部
81d 位置決め面
82 フォトダイオード(光検出器)
100 プロジェクタ
R1 入射光
R2 投射光
R3 射出光
2 走査部
3 走査ミラー
3a 反射面
4 固定枠
5a 圧電素子
10 走査光学系(第一実施形態)
20 走査光学系(第二実施形態)
21 クロスダイクロイックプリズム
11、17、19 レンズ光学系
12、15、16、18 折り曲げミラー(光学部品)
13、14 ダイクロイックミラー(光学部品)
41 投影面
81、83、84 投射プリズム(投射部材)
81a、83d、84a 投射面
81b 脚部
81c 凹部
81d 位置決め面
82 フォトダイオード(光検出器)
100 プロジェクタ
R1 入射光
R2 投射光
R3 射出光
上記目的を達成するために本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、前記レーザ光を投射面に向けて二次元走査する走査ミラーと該走査ミラーが回動可能であるよう当該走査ミラーと一体的に連結された固定部を有する走査部と、出射されたレーザ光を所定の方向に導く光学部品と、前記光学部品により導かれた前記レーザ光を、前記走査ミラーに向けて投射する投射部材と、を備え、前記投射部材は、前記固定部の上に固定され、前記投射部材は、前記走査ミラーの非駆動状態における反射面の法線方向に対して位置決めをする第1の位置決め面と、前記第1の位置決め面と垂直な方向に対して位置決めする第2の位置決め面とを有する走査光学系としたことを特徴としている。
上記の構成の投射プリズム83は、走査部2の固定枠に対して固定される位置決め面81d(第1の位置決め面)を備える脚部を持つ。さらに脚部は、走査部2の基板端面に対して位置決めするための位置決め面81e(第2の位置決め面)を持つことで、組立時に図の水平方向の位置決めが容易となり、走査ミラー3と投射プリズム83の位置関係が、精度よく決定される。また、脚部とケース部材10aを構成する台板との間は僅かな隙間を持ち、この隙間に例えば接着剤を充填して、脚部をケース部材10aに固定することにより、走査部と投射部材とが互いに固定される構成としてもよい。また、走査ミラー3を回動可能に支持する可動枠6を含む可動部分との接触を避ける凹部を備えた形状であることが好ましい。この構成であれば、可動する走査ミラー3の変位を邪魔しない近接した位置に投射部材を正確に設置可能となるので、走査光学系10の小型化を図りながら、走査ミラー3に対する投射部材の取り付け精度を上げることが可能となる。
1、1−R、1−G、1−B レーザ光源部
2 走査部
3 走査ミラー
3a 反射面
4 固定枠
5a 圧電素子
10 走査光学系(第一実施形態)
20 走査光学系(第二実施形態)
21 クロスダイクロイックプリズム
11、17、19 レンズ光学系
12、15、16、18 折り曲げミラー(光学部品)
13、14 ダイクロイックミラー(光学部品)
41 投影面
81、83、84 投射プリズム(投射部材)
81a、83d、84a 投射面
81b 脚部
81c 凹部
81d 位置決め面(第1の位置決め面)
81e 位置決め面(第2の位置決め面)
82 フォトダイオード(光検出器)
100 プロジェクタ
R1 入射光
R2 投射光
R3 射出光
2 走査部
3 走査ミラー
3a 反射面
4 固定枠
5a 圧電素子
10 走査光学系(第一実施形態)
20 走査光学系(第二実施形態)
21 クロスダイクロイックプリズム
11、17、19 レンズ光学系
12、15、16、18 折り曲げミラー(光学部品)
13、14 ダイクロイックミラー(光学部品)
41 投影面
81、83、84 投射プリズム(投射部材)
81a、83d、84a 投射面
81b 脚部
81c 凹部
81d 位置決め面(第1の位置決め面)
81e 位置決め面(第2の位置決め面)
82 フォトダイオード(光検出器)
100 プロジェクタ
R1 入射光
R2 投射光
R3 射出光
Claims (15)
- レーザ光を出射するレーザ光源部と、
前記レーザ光を投射面に向けて二次元走査する走査ミラーを有する走査部と、
出射されたレーザ光を所定の方向に導く光学部品と、
前記光学部品により導かれた前記レーザ光を、前記走査ミラーに向けて投射する投射部材と、
を備え、
前記投射部材を、前記走査部を構成する基板上に固定したことを特徴とする走査光学系。 - 前記走査部は、微小電気機械システムを構成する基板に形成された前記走査ミラーと、
該走査ミラーを回動可能に支持する固定部とを備え、前記投射部材を、前記固定部上に固定したことを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。 - 前記投射部材は、前記走査部の可動領域との接触を避ける凹部と、前記固定部上に固定される脚部を備えたことを特徴とする請求項2に記載の走査光学系。
- 前記投射部材の脚部は、前記固定部の所定の位置に前記投射部材を固定するための位置決め面を備えたことを特徴とする請求項3に記載の走査光学系。
- 前記投射部材の脚部の全部又は一部を、前記固定部を支持する支持部材に固定することにより、前記投射部材が前記走査部上に固定されることを特徴とする請求項4に記載の走査光学系。
- 前記投射部材は、一体的に形成された投射プリズムであって、前記光学部品により導かれた前記レーザ光を前記走査ミラーに向けて反射する反射面と、前記固定部に対して固定される位置決め面を備えたことを特徴とする請求項2に記載の走査光学系。
- 前記走査ミラーが、圧電素子を駆動源とした構造により、互いに直交している2軸周りに回動可能とされ、前記走査部がこの走査ミラーを組み込んだ微小電気機械システムによって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。
- 前記投射部材を、レーザ光の一部を透過する半透過型とし、透過光を光検出器に導光して前記レーザ光の光量を検出していることを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。
- 前記走査ミラーの非駆動状態の反射面に対して、前記レーザ光源部の出射方向がほぼ平行になるように、前記レーザ光源部を配置したことを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。
- 前記投射部材に入射するレーザ光と前記走査ミラーから射出するレーザ光とが交差するように、前記投射部材を配置したことを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。
- 前記投射部材に反射されて前記走査ミラーへ斜めに入射したレーザ光が、前記走査ミラーに反射して前記レーザ光の入射方向とは逆の斜め方向に射出するように、前記投射部材を配置したことを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。
- 前記レーザ光は、前記光学部品により、前記走査ミラーの非駆動状態の反射面に対してほぼ平行な平面に沿って導かれ、前記走査ミラーに対向する該平面上を通過後、前記投射部材に入射することを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。
- 前記レーザ光が走査部と重畳する領域を進行するように、前記レーザ光源部及び前記光学部品が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の走査光学系。
- 前記投射部材が投射プリズムであって、該投射プリズムと前記走査ミラーを挟んで対向する位置に、レーザ光を前記投射プリズムに導光する光学部品としての折り曲げミラーを設けて、前記入射光の光路を前記走査ミラーの非駆動状態の反射面に対して平行な光路とし、前記走査ミラーの上を平行に通過する入射光を前記投射プリズムが前記反射面に向けて斜めに反射し、当該反射面から前記入射光とは逆の斜め方向に射出していることを特徴とする請求項13に記載の走査光学系。
- 請求項1に記載の走査光学系を備えていることを特徴とするプロジェクタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012514741A JP5321740B2 (ja) | 2010-05-12 | 2011-04-15 | 走査光学系およびそれを備えたプロジェクタ |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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