JP2004045496A - ２次元光走査装置及び映像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で走査歪みを低減できる２次元光走査装置及びこれを用いた小型省エネルギーの映像表示装置。
【解決手段】光源１０と、それからの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニット１と、走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系２０とを備えた２次元光走査装置であり、走査光学系２０は入射面２４と第１反射面２３と第２反射面２２と射出面２１とを備え、入射面２４から第１反射面２３へ向かう光束と第２反射面２２から射出面２１へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、入射面２４、第１反射面２３、第２反射面２２、射出面２１の少なくとも１面が非回転対称面からなる。
【選択図】 図１１
【解決手段】光源１０と、それからの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニット１と、走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系２０とを備えた２次元光走査装置であり、走査光学系２０は入射面２４と第１反射面２３と第２反射面２２と射出面２１とを備え、入射面２４から第１反射面２３へ向かう光束と第２反射面２２から射出面２１へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、入射面２４、第１反射面２３、第２反射面２２、射出面２１の少なくとも１面が非回転対称面からなる。
【選択図】 図１１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を生成するための２次元走査を行う２次元光走査装置とそれを用いた映像表示装置に関するものである、特に、ジンバル構造を有する光走査装置において、走査歪みの少ない２次元走査装置及びこれを用いた映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、特開２００１−１７４７４０号公報、特開２００１−２８１５８３号公報等において光走査装置を提案している。特開２００１−１７４７４０号公報記載のものは、入射ビームと走査ビームの中心ビームとが略直線状になるようにして光走査装置を小型にするものであった。また、特開２００１−２８１５８３号公報記載のものは、単一の２次元反射ミラーと偏心プリズムを組み合わせて小型の光走査装置を構成するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの走査装置では、走査歪みが十分補正されているとはいえなかった。
【０００４】
本発明は従来技術のこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で走査歪みを低減できる２次元光走査装置及びこれを用いた小型省エネルギーの映像表示装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の２次元光走査装置は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の映像表示装置は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系と、前記走査光学系により形成された被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用を説明する。
【０００８】
図１に、ジンバル構造を有する走査ユニットと、それによる２次元走査の様子を示す。走査ユニット１は、走査ミラー１、中間枠３、外枠４を備えている。走査ミラー２は、ｘ−ｘ軸方向に延びる軸５で中間枠３に連結されている。そして、その中間枠３がｘ−ｘ軸と直交するｙ−ｙ軸方向に延びる軸６で固定の外枠４に連結されている。よって走査ミラー２で反射した光は、軸５の周りでの走査ミラー２の揺動により水平走査（Ｘ方向走査）され、軸６の周りでの中間枠３と走査ミラー２の揺動により垂直走査（Ｙ方向走査）されるようになっている。軸５、６周りでの揺動は電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電素子駆動方式等の各種駆動方式が採用される。また、その揺動は軸５、６の弾性変形での揺動でも、軸５、６周りでの自由回転での揺動でもよい。
【０００９】
このようなジンバル構造を有する走査ユニット１を用いた光走査装置において、走査ミラー２の反射面に斜めに入射光ビーム７を入射たとする。この場合、反射光ビーム７の被走査面におけるＸ方向及びＹ方向の位置は、ｘ−ｘ軸周りでの回転角θｘ 、ｙ−ｙ軸周りでの回転角θｙ に比例して定まるのではない。例えば図１に示すように、回転角θｙ を固定していても、回転角θｘ の値によってＹ方向位置が変化する走査線の歪み（ここでは、円弧状の歪み）が生じる。このような走査線の歪みがあると、被走査面上での像は歪んでしまう。このような歪みを走査歪みと呼ぶ。
【００１０】
図２は、入射光ビーム７の入射角が４５°のときの、（θｘ ／θｘ ｍａｘ，θｙ ／θｙ ｍａｘ ）の値に対応する被走査面上におけるビーム位置を（Ｘ，Ｙ）で示した図である。なお、ｘ−ｘ軸周りでの回転角θｘ がゼロのときに、走査ミラー２の法線が入射光ビーム７とｘ−ｘ軸を含む面内にあるものとしている。走査歪みがないときには、（１，１）−（１，０）−（１，−１）−（０，−１）−（−１，−１）−（−１，０）−（−１，１）−（０，１）−（１，１）を結んだ枠が長方形になる。ところが、図１のようなジンバル構造を有する走査ユニット１を用いた光走査装置では、図２に例示するような走査歪みが発生してしまう。
【００１１】
このような走査歪みを補正するために、本発明においては、走査光学系に偏心プリズムを配置している。この偏心プリズムは、２次元走査ミラー１で走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、その入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、その第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、その第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備えている。そして、その入射面から第１反射面へ向かう光束と第２反射面から射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差するように、各面が配置されている。そして、入射面、第１反射面、第２反射面、射出面の少なくとも１面が非回転対称面になっている。
【００１２】
このような偏心プリズムを用いると、入射面、第１反射面、第２反射面、射出面のうち、少なくとも１面を非回転対称面で構成しているので、走査歪みを効果的に補正することができる。さらに好ましくは、反射面２面を共を非回転対称面で構成することが好ましい。
【００１３】
また、プリズム内の光路が交差光路になっているので、反射面（第１反射面と第２反射面）での入射角度が小さくなり、偏心収差の発生が少ない。また、特開２００１−２８１５８３号公報で用いているような偏心プリズムに比べて、全反射条件を満足する必要がない。よって、この点でも反射面に入射する光線の傾きを小さくすることが可能となり好ましい。
【００１４】
なお、非回転対称な曲面形状としては、限定的でないが、自由曲面を用いることが望ましい。自由曲面は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００１５】
また、被走査面から走査ミラー（揺動ミラー）に至る逆光線追跡において、被走査面から順番に少なくとも２つの内部反射面で、軸上主光線（被走査面中心から出て走査ミラー中心に至る光線）が当たる位置での面法線と軸上主光線のなす角度をΘ１、Θ２とするとき、
１０°＜Θ１＜４０° ・・・（１）
１０°＜Θ２＜４０° ・・・（２）
なる条件を両方満足することが重要である。
【００１６】
これらの条件の下限の１０°を下回ると、反射面がプリズムの透過面の有効径を遮ってしまい、走査角度を大きくとることができない。また、小型の装置を構成することができない。上限の４０°を上回ると、内部反射面で発生する偏心収差が大きく発生してしまい、他の面で補正することが不可能になってしまう。
【００１７】
さらに好ましくは、
１５°＜Θ１＜３０° ・・・（１−１）
１５°＜Θ２＜３０° ・・・（２−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００１８】
なお、後記の実施例１〜３においては、軸上主光線が少なくとも２つの内部反射面で反射する場合の面への入射角Θ１、Θ２は、次の通りである。
【００１９】
さらに好ましくは、Ｘ−Ｚ面又はＹ−Ｚ面において、少なくとも２つの内部反射面は、被走査面側から負パワー、正パワーの順に配置することが好ましい。これは、この光学系がレトロフォーカスタイプと同じ構成になるため、小さなミラー振れ角で大きな走査角度を得ることができる。なお、面を示す各軸の定義であるが、逆光線追跡において、プリズムで折り曲がる軸上主光線方向をＺ軸方向、それに直交する２つの軸をＸ軸、Ｙ軸としている。
【００２０】
さらに好ましくは、走査ミラーが画面中心位置の光線を反射しているときに、光源からの光線が当たる位置での面法線とその位置に入射する光線とのなす角をΘｍとすると、
１°＜Θｍ＜４５° ・・・（３）
なる条件を満足することが好ましい。下限の１°を下回ると、走査ミラーに入射した入射光ビームと、走査ミラーで反射された反射光ビームを分離することができない。また、上限の４５°を上回ると、走査歪みが大きくなりすぎる。そのため、プリズム内の光路が交差光路をとる偏心プリズムを用いてもその走査歪みを補正することが難しくなる。
【００２１】
さらに好ましくは、
３°＜Θｍ＜３０° ・・・（３−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００２２】
なお、後記の実施例１〜３においては、走査ミラーに対する軸上主光線の入射角度Θｍは、次の通りである。
【００２３】
また、本発明の映像表示装置は、以上のような本発明の２次元光走査装置において、走査光学系で形成された被走査面近傍に、正のパワーを有する接眼光学系を配置している。この接眼光学系は、射出瞳（通常は虚像）を観察者の瞳近傍に投影するものである。
【００２４】
図３にこのような映像表示装置の概念図を示す。接眼光学系３０は、走査光学系２０の射出瞳を、観察者の眼球Ｅ位置近傍に投影する役割を有する。この接眼光学系３０を、走査光学系２０による被走査面近傍に配置することで、走査光学系２０から射出した光束を接眼光学系３０により集光させ、観察することが可能となる。これにより、光源１０から射出した光束の大部分を、観察者の眼球Ｅ近傍に集光することが可能となる。その結果、光源１０からの光を有効に観察に使用することが可能となり、少ない消費電力で明るい観察像を観察することが可能となる。なお、図３中、符号１１は光源１０からの光束をコリメートして走査ミラー２に入射させる照明光学系、４０は接眼光学系３０によって投影された２次元光走査装置の射出瞳の像である。また、接眼光学系３０位置に示したＸ方向は主走査方向、Ｙ方向は副走査方向を示す。
【００２５】
なお、図３では走査光学系２０をレンズのように図示してあるが、実際は後記の実施例のように、入射面、第１反射面、第２反射面、射出面からなる偏心プリズムである。
【００２６】
そして、被走査面近傍に光拡散性を有する拡散面３１を配置することにより、観察者眼球Ｅで観察可能となる位置を広く設定することが可能となる。完全な散乱特性を有する拡散面は、見る位置からの照度ムラや観察する方向に制約を受けることがなくなり好ましい。しかしながら、省電力、小型化を重視する場合には、拡散角が狭い拡散板を用いるのが好ましい。このうようにすると、光源１０からの光の利用効率を向上させることができる。さらに好ましくは、拡散面３１による拡散角が、光強度で１／１０になる拡散角度を全幅で２０°以下にすることが好ましい。
【００２７】
また、拡散面３１としては、少なくとも２面配置することが好ましい。２面以上の拡散面３１を光軸に沿って重ねて配置することにより、同程度の拡散面の粗さでも、ざらつきを低減することが可能となる。
【００２８】
ここで、接眼光学系３０は、通常の正レンズでもよいし、正パワーのフレネルレンズでも、反射鏡でも、フレネル反射鏡でもよい。これらのレンズ面、反射面は、回転対称面だけでなく、偏心したフレネルレンズ面、フレネル反射面、自由曲面、アナモルフィック面でも構成できる。また、これらの反射鏡は表面鏡でも裏面鏡でもよいが、フレネル反射鏡の場合、裏面鏡として構成し、その裏面鏡部分をフレネル反射鏡とすることが好ましい。
【００２９】
そして、このような接眼光学系３０の少なくとも１面に拡散作用をする拡散面３１を一体に設けるようにすることもできる。フレネルレンズ、フレネル反射鏡で接眼光学系３０を構成する場合に、そのフレネル面に拡散作用を分担させることも可能である。
【００３０】
本発明の映像表示装置は、接眼光学系３０を左右共通とし、２次元光走査装置を左右の眼用に別々に設け、接眼光学系３０により左眼用の走査光学系２０Ｌの射出瞳を観察者の左眼ＥＬの瞳近傍に、右眼用の走査光学系２０Ｒの射出瞳を観察者の右眼ＥＲの瞳近傍に投影するように配置し、左右の眼用の光走査装置で左右別々の映像、例えば両眼視差のある映像を表示するようにすることにより、立体像が観察可能な映像表示装置として構成できる。図４にこのような立体像が観察可能な映像表示装置の概念図を示す。映像表示装置は光源１０、照明光学系１１、走査ミラー２、走査光学系２０を備える。また、４０は走査光学系２０の射出瞳である。そして、左右の眼用を示す“Ｌ” 、“Ｒ” を符号の後に付加して、それぞれ左右の眼用であることを示している。また、左右の眼球をそれぞれＥＬ、ＥＲで示している。
【００３１】
この立体像が観察可能な映像表示装置の場合も、被走査面近傍に配置する拡散面３１による拡散角は、光強度で１／１０になる拡散角度を全幅で２０°以下に設定することが必要である。
【００３２】
ところで、本発明において用いる走査光学系は、偏心プリズムを有する。この偏心プリズムは上述のように、走査ミラーに面する入射面、第１反射面、第２反射面、被走査面に面する射出面を有する。そして、そのうちの少なくとも１面を、照明光学系の光学面として兼用させることが好ましい。ここで、照明光学系は、光源からの光を走査ミラーに入射させる光学系である。このような構成にすることにより、光源からの光束を走査ミラーに集光する作用と、走査歪みを補正する作用との両方をこの偏心プリズムに持たせることが可能となる。
【００３３】
さらに、この偏心プリズムは、少なくとも１つの反射面を照明光学系の光学面として兼用させることが望ましい。
【００３４】
また、本発明の２次元光走査装置及び映像表示装置において用いる光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）又はＬＤ（レーザダイオード）がある。これらの発光素子を用いることにより光源部分を小型に構成することが可能になる。この結果、装置全体を小型に構成することが可能となる。また、このような光源を用いることにより色再現性が高まり、特に赤色が鮮やかになる。
【００３５】
また、光源として、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色を含む光源を用いることにより、カラー化できることは言うまでもない。
【００３６】
さらに、光源からの光を合成する光合成素子を有することが望ましい。この光合成素子は、Ｒ、Ｇ、Ｂの少なくとも３色の光を合成するものである。この光合成素子により、その少なくとも３波長の光束を１本の光束とすることが可能になるので、各波長の走査スポットを１点に集めることが可能である。その例を図５の概念図に示す。この例において、色分散プリズム５１が光合成素子である。Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ からの光束は、色分散プリズム５１で１本の光束に合成される。この図では、走査光学系２０が照明光学系１１を兼ねている。走査光学系２０に入射した３つの波長の光は、ここでコリメートされる。そして、コリメートされた３つの波長の光は走査ミラー２に入射し、ここで偏向されて被走査面を２次元走査する。
【００３７】
光合成素子としては、色分散プリズム以外に、ＤＯＥ（回折光学素子）、ＨＯＥ（ホログラフィー光学素子）、ダイクロイックミラー等で光合成素子を用いることができる。
【００３８】
３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ は、図５の場合は、図６（ａ）に示すように、副走査方向に３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ を並列して配置するのが好ましい。ただし、光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の大きさが大きく、図６（ａ）のように副走査方向（Ｙ方向）に直線的に配置できないこともある。このような場合には、図６（ｂ）に示すように、副走査方向（Ｙ方向）に対して斜めに配置すれば良い。そして、主走査方向（Ｘ方向）に走査するときに、各光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ に与える映像信号（変調信号）を主走査方向の各光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の位置ずれに対応する時間だけ遅延させるようにすればよい（電子的色ズレ補正手段）。
【００３９】
また、図６（ｃ）に示すように、各色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ を複数（図の場合は各々２個）配置して、光合成素子で合成された光束をマルチビームにすることもできる。このようにすると、走査ミラー２で１回走査するときに複数本（図の場合２本）の走査線を発生させるようにすることが可能となり、より高精細な表示が可能となる。
【００４０】
さらには、光源の色をＲ、Ｇ、Ｂの３色だけでなく４色以上にすることもできる。そして、上記のようにそれらの複数の色の光源を図６（ａ）〜（ｃ）のようにずらして並列配置することにより、より色再現性の良いカラー映像表示を行うことができる。
【００４１】
また、本発明は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記光源からの光束を前記走査ユニットに入射させる照明光学系と、前記走査ユニットにより走査された光束を被走査面上に入射させる走査光学系と、被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて映像信号により変調されるようにすることができる。
【００４２】
上記のように光合成素子を用いない構成では、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源をずらして配置し、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源による被走査面上での走査線を並列して走査させ、Ｒ、Ｇ、Ｂの走査線を時間的にずらして１本の走査線に重ね合わせることにより、電気信号的に合成してカラー映像表示を行うことができる。その概念図を図７と図８に示す。図７は光学系の配置を示す図、図８は走査線の様子を示す図である。図７において、走査光学系、照明光学系は図示を省いてある。
【００４３】
本構成では、３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ を副走査方向に並列して配置してある。よって、被走査面（接眼光学系３０の面）上には、これら光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の像１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ が副走査方向（Ｙ方向）に並んで投影される。この状態で走査ミラー２を主走査させると、Ｒ、Ｇ、Ｂの走査スポット１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ はＸ方向に同時に移動してＲ、Ｇ、Ｂの走査線を描く。
【００４４】
図８に示すように、１回目の走査を行うと、Ｒ、Ｇ、Ｂの３本の走査線が相互に１走査線分ずれて描かれる。そのとき、Ｒは−１本目の走査線の信号で変調し、Ｇは０本目の走査線の信号で変調し、Ｂは１本目の走査線の信号で変調する。しかし、走査線の−１本目と０本目には映像信号がないので、１回目の走査におけるＲ、Ｇの光源１０Ｒ 、１０Ｇの点灯はない。よって、１回目の走査はＢの光源１０Ｂ のみで走査を行う。
【００４５】
２回目の走査の場合は、Ｙ方向に１走査線分ずらして走査を行う。そのとき、Ｒは０本目の走査線の信号で変調し、Ｇは１本目の走査線の信号で変調し、Ｂは２本目の走査線の信号で変調する。しかし、走査線の０本目には映像信号がないので、２回目の走査におけるＲの光源１０Ｒの点灯はない。よって、２回目の走査はＧとＢの光源１０Ｇ 、１０Ｂのみで走査を行う。
【００４６】
３回目の走査の場合は、Ｙ方向にさらに１走査線分ずらして走査を行う。そのとき、Ｒには１本目の走査線の信号で変調し、Ｇは２本目の走査線の信号で変調し、Ｂは３本目の走査線の信号で変調する。この場合、各光源は点灯している。
【００４７】
このように、カラーで走査を行うのに、Ｒ、Ｇ、Ｂの３本の走査線をＹ方向に１走査線分ずつずらして３回走査を行えば、その１本目の走査線のＲ、Ｇ、Ｂの走査が重なるのでカラー表示をおこなうことができる。以下、２本目以降の走査線についても同じである。このようにして、光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ がずれて配置されていても、走査画面では色ズレのない走査画面を観察することができる。なお、光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の像１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ のズレ量と走査線の間隔を被走査面上で一致させておくか、その整数倍にしておくことが好ましい。
【００４８】
さらに、光源の色を４つ以上で構成することにより、色再現性をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、本発明は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査する走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が少なくとも１面以上の反射面を備えた偏心プリズムからなるとともに対称面を有し、
前記走査光学系の光軸と被走査面の交差点を画面原点とした時に前記対称面が前記画面原点を略含むように前記走査光学系を配置し、
１つの走査方向と前記対称面の方向が略一致するように前記走査光学系と前記走査ユニットを配置することもできる。
【００５０】
走査光学系の対称面に画面原点（画像中心）が含まれるようにすると、非回転対称な走査歪みの発生方向を対称面の方向と一致させることが可能となり、偏心収差により前記像歪を補正することが可能となり、収差補正が容易になる。
【００５１】
ところで、被走査面の画面原点Ｏに立てた法線を中心として、走査光学系を角度θ回転して配置したとする。例えば、図９では偏心プリズム２０の対称面がＹ方向と一致した状態から、反時計回りに角度θで回転させている。この場合、偏心プリズム２０の対称面も、Ｙ方向に対して反時計回りに角度θで回転される。そこで、これに合わせて、偏心プリズム２０の光軸を回転軸として、走査ユニットを偏心プリズム２０に対して角度θだけ回転する。この時の回転方向は、偏心プリズム２０側から見て時計回りである。すなわち、偏心プリズム２０に入射する走査光束を、ｘ−ｘ方向からｘ’ −ｘ’ 方向とすることにより、画面上で偏心プリズム２０の回転前と同じＸ方向、Ｙ方向に走査することができる。そして、このような回転配置をとることにより、１つの接眼光学系３０に対して２つの２次元光走査装置を、画面原点Ｏに立てた法線を含む垂直方向の平面の両側に配置する構成に利用することができる。
【００５２】
例えば、図４に示すような立体像が観察可能な映像表示装置の配置にする場合には、同一形状の走査光学系２０を２つ用意すればよくなる。この結果、左右の走査光学系２０を異なる形状、例えば相互に面対称な形状に構成する場合に比べて、走査光学系２０の製造コストを大幅に下げることが可能となる。この場合、当然２つの２次元光走査装置の光源各々は、別々の表示をするように映像信号で変調するようにすることも可能である。また、左右同一の表示を行うために、同じ映像信号で変調するようにすることも可能である。
【００５３】
以下に、本発明の２次元光走査装置及び映像表示装置に用いる光学系の実施例１〜３について説明する。
【００５４】
実施例１〜３の構成パラメータは後記する。実施例では、光線追跡は、被走査面３２から走査光学系を構成する偏心プリズム２０、走査ミラー２、照明光学系を構成する偏心プリズム２０の兼用面を順に経て光源１０に向う順番で、いわゆる逆光線追跡である。また、図１０に示すように、被走査面３２の中心Ｏを通り、光学系の瞳を形成する走査ミラー２中心を通り、光源１０に至る光線で、軸上主光線２８を定義する。そして、逆光線追跡において、被走査面３２の中心Ｏを走査光学系（偏心プリズム）の偏心光学面の原点として、軸上主光線２８に沿う方向をＺ軸方向とする。また、被走査面３２から偏心プリズム２０の被走査面３２に面した面に向かう方向をＺ軸正方向とする。そして紙面に平行な面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とする。（Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。）
偏心面については、光学系の原点の中心Ｏからその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００５５】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面である。
【００５６】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００５７】
なお、実施例１〜３において、被走査面３２の大きさは１６２．５６×１２１．９２ｍｍであり、開口数ＮＡは０．００２であり、また、走査ミラー２の回転角θｘ 、θｙ は次の通りである。
【００５８】
次に、各実施例の光学系の構成を説明する。
【００５９】
実施例１の光学系を図１０及び図１１示す。図１０は被走査面３２から光源１０に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図、図１１はその主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。本実施例では、走査光学系は偏心プリズムで、被走査面３２に面して配置されている。偏心プリズム２０は、逆光線追跡の順に、射出面を構成する第１面２１、第２反射面を構成する第２面２２、第１反射面を構成する第３面２３、入射面を構成する第４面２４を備えている。そして、偏心プリズム２０の第４面２４に面して、２次元走査ミラー１（図１）の走査ミラー２が配置されている。そして、第１面２１の軸上主光線２８から離れた偏心位置には、光源１０が配置されている。この光源１０からの光束は、偏心プリズム２０の第１面２１を経てプリズム内に入射し、第２面２２、第３面２３の順で内部反射され、第４面２４を経て走査ミラー２に入射する。そして、直交する２つの軸を回転軸として回動する走査ミラー２で反射されて走査された光束は、第４面２４を経てプリズム内に入射する。そして、偏心プリズム２０の第３面２３、第２面２４の順で内部反射して、第１面２１を経てプリズム外に射出する。偏心プリズム２０から射出した光は、遠方に配置された被走査面３２上に走査線を形成する。
【００６０】
この実施例の偏心プリズム２０は、第４面２４から第３面２３へ向かう光束と第２面２２から第１面２１へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置となっている。また、第１面２１は球面（凹面）から構成されており、第２面２２〜第４面２４は自由曲面から構成されている。また、第１面２１〜第４面２４はＹ−Ｚ面内で偏心している。また、この偏心プリズム２０の第１面２１〜第４面２４は全て走査光学系と照明光学系の光学面を兼ねた構成となっている。
【００６１】
実施例２の光学系を図１２及び図１３示す。図１２は被走査面３２から光源１０に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図、図１３はその主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。本実施例では、走査光学系は偏心プリズムで、被走査面３２に面して配置されている。偏心プリズム２０は、逆光線追跡の順に、射出面を構成する第１面２１、第２反射面を構成する第２面２２、第１反射面を構成する第３面２３、入射面を構成する第４面２４、照明光学系の入射面を構成する第５面２５を備えている。そして、偏心プリズム２０の第４面２４に面して、２次元走査ミラー１（図１）の走査ミラー２が配置されている。また、第５面２５に面して光源１０が配置されている。この光源１０からの光束は、この第５面２５を経てプリズム内に入射し、第４面２４からプリズム外に出て走査ミラー２に入射する。直交する２つの軸を回転軸として回動する走査ミラー２で反射されて走査された光束は、第４面２４を経てプリズム内に入射する。そして、偏心プリズム２０の第３面２３、第２面２４の順で内部反射して、第１面２１を経てプリズム外に射出しする。偏心プリズム２０から射出した光は、遠方に配置された被走査面３２上に走査線を形成する。
【００６２】
この実施例の偏心プリズム２０は、第４面２４から第３面２３へ向かう光束と第２面２２から第１面２１へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置となっている。また、第５面２５は第２面２２と第３面２３の間に配置されている。そして、第１面２１は球面（凹面）、第５面２５は球面（凸面）から構成されており、また、第２面２２〜第４面２４は自由曲面から構成されている。また、第１面２１〜第５面２５はＹ−Ｚ面内で偏心している。また、この偏心プリズム２０の第４面２４のみが走査光学系と照明光学系の光学面を兼ねた構成となっている。
【００６３】
実施例３の光学系を図１４及び図１５示す。図１４は被走査面３２から光源１０に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図、図１５はその主要部のＹ−Ｚ面への投影光路図、図１６はその主要部のＸ−Ｙ面への投影光路図である。本実施例では、走査光学系は偏心プリズムで、被走査面３２に面して配置されている。偏心プリズム２０は、逆光線追跡の順に、射出面を構成する第１面２１、第２反射面を構成する第２面２２、第１反射面を構成する第３面２３、入射面を構成する第４面２４、照明光学系の入射面を構成する第５面２５を備えている。そして、偏心プリズム２０の第４面２４に面して、２次元走査ミラー１（図１）の走査ミラー２が配置されている。また、第５面２５に面して光源１０が配置されている。この光源１０からの光束は、この第５面２５を経てプリズム内に入射し、第４面２４からプリズム外に出て走査ミラー２に入射する。直交する２つの軸を回転軸として回動する走査ミラー２で反射されて走査された光束は、第４面２４を経てプリズム内に入射し、第３面２３、第２面２４の順で内部反射して、第１面２１を経てプリズム外に射出する。偏心プリズム２０から射出した光は、遠方に配置された被走査面３２上に走査線を形成する。
【００６４】
この実施例の偏心プリズム２０は、第４面２４から第３面２３へ向かう光束と第２面２２から第１面２１へ向かう光束とを同一平面へ投影したとき、プリズム内で交差する面配置となっているまた、第５面２５は第２面２２と第３面２３の間に配置されている。そして、第１面２１は球面（凹面）、第５面２５は球面（凸面）から構成されており、また、第２面２２〜第４面２４は自由曲面から構成されている。また、第１面２１〜第５面２５は対称面を持たないで３次元的に偏心している。また、この偏心プリズム２０の第４面２４のみが走査光学系と照明光学系の光学面を兼ねた構成となっている。
【００６５】
以下に各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ” は自由曲面、“ＲＥ” は反射面をそれぞれ示す。また，“絞り面” は走査ミラー２の配置位置に、“像面” は光源１０位置に相当する。
【００６６】
【００６７】
【００６８】
【００６９】
上記実施例１〜３の走査歪みを示す図２と同様の図を、それぞれ図１７〜図１９に示す。
【００７０】
以上の本発明の２次元光走査装置及び映像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【００７１】
〔１〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とする２次元光走査装置。
【００７２】
〔２〕 前記偏心プリズムの少なくとも１面が、前記光源からの光を前記走査ユニットに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記１記載の２次元光走査装置。
【００７３】
〔３〕 前記偏心プリズムの少なくとも１つの反射面が、前記光源からの光を前記走査ユニットに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記２記載の２次元光走査装置。
【００７４】
〔４〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記被走査面から前記走査ミラーに至る逆光線追跡において、前記被走査面から順番に少なくとも２つの内部反射面で、軸上主光線（被走査面中心から出て走査ミラー中心に至る光線）が当たる位置での面法線と軸上主光線のなす角度をΘ１、Θ２とするとき、
１０°＜Θ１＜４０° ・・・（１）
１０°＜Θ２＜４０° ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７５】
〔５〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記走査ミラーが前記被走査面中心位置の光線を反射しているときに、前記光源からの光線が前記走査ミラーに当たる位置での面法線とその位置に入射する光線とのなす角をΘｍとすると、
１°＜Θｍ＜４５° ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７６】
〔６〕 前記光源として発光ダイオード又はレーザダイオードを用いることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７７】
〔７〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上を含む光源を用いることを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７８】
〔８〕 前記光源のＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光線を合成する光合成素子を備えていることを特徴とする上記７記載の２次元光走査装置。
【００７９】
〔９〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて変調されることを特徴とする上記７記載の２次元光走査装置。
【００８０】
〔１０〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査する走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が少なくとも１面以上の反射面を備えた偏心プリズムからなるとともに対称面を有し、
前記走査光学系の光軸と被走査面の交差点を画面原点とした時に前記対称面が前記画面原点を略含むように前記走査光学系を配置し、
１つの走査方向と前記対称面の方向が略一致するように前記走査光学系と前記走査ユニットを配置したことを特徴とする２次元光走査装置。
【００８１】
〔１１〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系と、前記走査光学系により形成された被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とする映像表示装置。
【００８２】
〔１２〕 前記被走査面近傍に光拡散性を有する拡散面が配置されていることを特徴とする上記１１記載の映像表示装置。
【００８３】
〔１３〕 前記拡散面による拡散角が、光強度で１／１０になる拡散角度が全幅で２０°以下であることを特徴とする上記１２記載の映像表示装置。
【００８４】
〔１４〕 拡散面が少なくとも２面配置されていることを特徴とする上記１２又は１３記載の映像表示装置。
【００８５】
〔１５〕 前記接眼光学系がフレネルレンズからなることを特徴とする上記１１から１４の何れか１項記載の映像表示装置。
【００８６】
〔１６〕 前記接眼光学系がフレネル反射鏡からなることを特徴とする上記１１から１４の何れか１項記載の映像表示装置。
【００８７】
〔１７〕 前記接眼光学系がフレネル裏面反射鏡からなることを特徴とする上記１６記載の映像表示装置。
【００８８】
〔１８〕 前記拡散面が前記接眼光学系の少なくとも１面に設けられていることを特徴とする上記１２から１７の何れか１項記載の映像表示装置。
【００８９】
〔１９〕 前記偏心プリズムの少なくとも１面が、前記光源からの光を前記走査ミラーに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記１１から１８の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９０】
〔２０〕 前記偏心プリズムの少なくとも１つの反射面が、前記光源からの光を前記走査ユニットに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記１９記載の映像表示装置。
【００９１】
〔２１〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記被走査面から前記走査ミラーに至る逆光線追跡において、前記被走査面から順番に少なくとも２つの内部反射面で、軸上主光線（被走査面中心から出て走査ミラー中心に至る光線）が当たる位置での面法線と軸上主光線のなす角度をΘ１、Θ２とするとき、
１０°＜Θ１＜４０° ・・・（１）
１０°＜Θ２＜４０° ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする上記１１から２０の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９２】
〔２２〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記走査ミラーが前記被走査面中心位置の光線を反射しているときに、前記光源からの光線が前記走査ミラーに当たる位置での面法線とその位置に入射する光線とのなす角をΘｍとすると、
１°＜Θｍ＜４５° ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする上記１１から２１の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９３】
〔２３〕 前記光源として発光ダイオード又はレーザダイオードを用いることを特徴とする上記１１から２２の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９４】
〔２４〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上を含む光源を用いることを特徴とする上記１１から２３の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９５】
〔２５〕 前記光源のＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光線を合成する光合成素子を備えていることを特徴とする上記２４記載の映像表示装置。
【００９６】
〔２６〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて映像信号により変調されることを特徴とする上記２４記載の映像表示装置。
【００９７】
〔２７〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記光源からの光束を前記走査ユニットに入射させる照明光学系と、前記走査ユニットにより走査された光束を被走査面上に入射させる走査光学系と、被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて映像信号により変調されることを特徴とする映像表示装置。
【００９８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、ジンバル構造の走査ミラーを用いて走査歪みの少ない小型の２次元光走査装置と映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ジンバル構造を有する走査ユニットとそれによる２次元走査の様子を示す図である。
【図２】図１のジンバル構造を有する走査ユニットを用いた光走査装置の走査歪みを示す図である。
【図３】本発明による映像表示装置の概念図である。
【図４】本発明による立体像が観察可能な映像表示装置の概念図である。
【図５】光合成素子により３波長の光束を１本の光束とする場合の光走査装置の概念図である。
【図６】３色の光源の配置例を示す図である。
【図７】Ｒ、Ｇ、Ｂの走査線を時間的にずらして１本の走査線に重ね合わせることにより電気信号的に合成してカラー映像表示を行う映像表示装置の光学系の配置を示す図である。
【図８】図７の場合の走査線の様子を示す図である。
【図９】被走査面中心に対して偏心プリズムを斜め方向に配置する場合の２次元走査ミラーの走査方向を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例１の光学系の被走査面から光源に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１１】実施例１の光学系の主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１２】本発明の実施例２の光学系の被走査面から光源に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１３】実施例２の光学系の主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１４】本発明の実施例３の光学系の被走査面から光源に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図である。
【図１５】実施例３の光学系の主要部のＹ−Ｚ面への投影光路図である。
【図１６】実施例３の光学系の主要部のＸ−Ｙ面への投影光路図である。
【図１７】実施例１の走査歪みを示す図２と同様の図である。
【図１８】実施例２の走査歪みを示す図２と同様の図である。
【図１９】実施例３の走査歪みを示す図２と同様の図である。
【符号の説明】
１…ジンバル構造を有する走査ユニット
２…走査ミラー
３…中間枠
４…外枠
５…軸
６…軸
７…入射光ビーム
８…反射光ビーム
１０、１０Ｌ、１０Ｒ、１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ …光源
１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ …Ｒ、Ｇ、Ｂの走査スポット
１１、１１Ｌ、１１Ｒ…照明光学系
２０、２０Ｌ、２０Ｒ…走査光学系（偏心プリズム）
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
２５…第５面
２８…軸上主光線
３０…接眼光学系
３１…拡散面
３２…被走査面
４０、４０Ｌ、４０Ｒ…接眼光学系によって投影された２次元光走査装置の射出瞳の像
５１…色分散プリズム
Ｅ、ＥＬ、ＥＲ…観察者眼球
Ｏ…被走査面の中心
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を生成するための２次元走査を行う２次元光走査装置とそれを用いた映像表示装置に関するものである、特に、ジンバル構造を有する光走査装置において、走査歪みの少ない２次元走査装置及びこれを用いた映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、特開２００１−１７４７４０号公報、特開２００１−２８１５８３号公報等において光走査装置を提案している。特開２００１−１７４７４０号公報記載のものは、入射ビームと走査ビームの中心ビームとが略直線状になるようにして光走査装置を小型にするものであった。また、特開２００１−２８１５８３号公報記載のものは、単一の２次元反射ミラーと偏心プリズムを組み合わせて小型の光走査装置を構成するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの走査装置では、走査歪みが十分補正されているとはいえなかった。
【０００４】
本発明は従来技術のこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で走査歪みを低減できる２次元光走査装置及びこれを用いた小型省エネルギーの映像表示装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の２次元光走査装置は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の映像表示装置は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系と、前記走査光学系により形成された被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明において上記構成をとる理由と作用を説明する。
【０００８】
図１に、ジンバル構造を有する走査ユニットと、それによる２次元走査の様子を示す。走査ユニット１は、走査ミラー１、中間枠３、外枠４を備えている。走査ミラー２は、ｘ−ｘ軸方向に延びる軸５で中間枠３に連結されている。そして、その中間枠３がｘ−ｘ軸と直交するｙ−ｙ軸方向に延びる軸６で固定の外枠４に連結されている。よって走査ミラー２で反射した光は、軸５の周りでの走査ミラー２の揺動により水平走査（Ｘ方向走査）され、軸６の周りでの中間枠３と走査ミラー２の揺動により垂直走査（Ｙ方向走査）されるようになっている。軸５、６周りでの揺動は電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電素子駆動方式等の各種駆動方式が採用される。また、その揺動は軸５、６の弾性変形での揺動でも、軸５、６周りでの自由回転での揺動でもよい。
【０００９】
このようなジンバル構造を有する走査ユニット１を用いた光走査装置において、走査ミラー２の反射面に斜めに入射光ビーム７を入射たとする。この場合、反射光ビーム７の被走査面におけるＸ方向及びＹ方向の位置は、ｘ−ｘ軸周りでの回転角θｘ 、ｙ−ｙ軸周りでの回転角θｙ に比例して定まるのではない。例えば図１に示すように、回転角θｙ を固定していても、回転角θｘ の値によってＹ方向位置が変化する走査線の歪み（ここでは、円弧状の歪み）が生じる。このような走査線の歪みがあると、被走査面上での像は歪んでしまう。このような歪みを走査歪みと呼ぶ。
【００１０】
図２は、入射光ビーム７の入射角が４５°のときの、（θｘ ／θｘ ｍａｘ，θｙ ／θｙ ｍａｘ ）の値に対応する被走査面上におけるビーム位置を（Ｘ，Ｙ）で示した図である。なお、ｘ−ｘ軸周りでの回転角θｘ がゼロのときに、走査ミラー２の法線が入射光ビーム７とｘ−ｘ軸を含む面内にあるものとしている。走査歪みがないときには、（１，１）−（１，０）−（１，−１）−（０，−１）−（−１，−１）−（−１，０）−（−１，１）−（０，１）−（１，１）を結んだ枠が長方形になる。ところが、図１のようなジンバル構造を有する走査ユニット１を用いた光走査装置では、図２に例示するような走査歪みが発生してしまう。
【００１１】
このような走査歪みを補正するために、本発明においては、走査光学系に偏心プリズムを配置している。この偏心プリズムは、２次元走査ミラー１で走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、その入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、その第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、その第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備えている。そして、その入射面から第１反射面へ向かう光束と第２反射面から射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差するように、各面が配置されている。そして、入射面、第１反射面、第２反射面、射出面の少なくとも１面が非回転対称面になっている。
【００１２】
このような偏心プリズムを用いると、入射面、第１反射面、第２反射面、射出面のうち、少なくとも１面を非回転対称面で構成しているので、走査歪みを効果的に補正することができる。さらに好ましくは、反射面２面を共を非回転対称面で構成することが好ましい。
【００１３】
また、プリズム内の光路が交差光路になっているので、反射面（第１反射面と第２反射面）での入射角度が小さくなり、偏心収差の発生が少ない。また、特開２００１−２８１５８３号公報で用いているような偏心プリズムに比べて、全反射条件を満足する必要がない。よって、この点でも反射面に入射する光線の傾きを小さくすることが可能となり好ましい。
【００１４】
なお、非回転対称な曲面形状としては、限定的でないが、自由曲面を用いることが望ましい。自由曲面は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００１５】
また、被走査面から走査ミラー（揺動ミラー）に至る逆光線追跡において、被走査面から順番に少なくとも２つの内部反射面で、軸上主光線（被走査面中心から出て走査ミラー中心に至る光線）が当たる位置での面法線と軸上主光線のなす角度をΘ１、Θ２とするとき、
１０°＜Θ１＜４０° ・・・（１）
１０°＜Θ２＜４０° ・・・（２）
なる条件を両方満足することが重要である。
【００１６】
これらの条件の下限の１０°を下回ると、反射面がプリズムの透過面の有効径を遮ってしまい、走査角度を大きくとることができない。また、小型の装置を構成することができない。上限の４０°を上回ると、内部反射面で発生する偏心収差が大きく発生してしまい、他の面で補正することが不可能になってしまう。
【００１７】
さらに好ましくは、
１５°＜Θ１＜３０° ・・・（１−１）
１５°＜Θ２＜３０° ・・・（２−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００１８】
なお、後記の実施例１〜３においては、軸上主光線が少なくとも２つの内部反射面で反射する場合の面への入射角Θ１、Θ２は、次の通りである。
【００１９】
【００２０】
さらに好ましくは、走査ミラーが画面中心位置の光線を反射しているときに、光源からの光線が当たる位置での面法線とその位置に入射する光線とのなす角をΘｍとすると、
１°＜Θｍ＜４５° ・・・（３）
なる条件を満足することが好ましい。下限の１°を下回ると、走査ミラーに入射した入射光ビームと、走査ミラーで反射された反射光ビームを分離することができない。また、上限の４５°を上回ると、走査歪みが大きくなりすぎる。そのため、プリズム内の光路が交差光路をとる偏心プリズムを用いてもその走査歪みを補正することが難しくなる。
【００２１】
さらに好ましくは、
３°＜Θｍ＜３０° ・・・（３−１）
なる条件を満足することが好ましい。
【００２２】
なお、後記の実施例１〜３においては、走査ミラーに対する軸上主光線の入射角度Θｍは、次の通りである。
【００２３】
【００２４】
図３にこのような映像表示装置の概念図を示す。接眼光学系３０は、走査光学系２０の射出瞳を、観察者の眼球Ｅ位置近傍に投影する役割を有する。この接眼光学系３０を、走査光学系２０による被走査面近傍に配置することで、走査光学系２０から射出した光束を接眼光学系３０により集光させ、観察することが可能となる。これにより、光源１０から射出した光束の大部分を、観察者の眼球Ｅ近傍に集光することが可能となる。その結果、光源１０からの光を有効に観察に使用することが可能となり、少ない消費電力で明るい観察像を観察することが可能となる。なお、図３中、符号１１は光源１０からの光束をコリメートして走査ミラー２に入射させる照明光学系、４０は接眼光学系３０によって投影された２次元光走査装置の射出瞳の像である。また、接眼光学系３０位置に示したＸ方向は主走査方向、Ｙ方向は副走査方向を示す。
【００２５】
なお、図３では走査光学系２０をレンズのように図示してあるが、実際は後記の実施例のように、入射面、第１反射面、第２反射面、射出面からなる偏心プリズムである。
【００２６】
そして、被走査面近傍に光拡散性を有する拡散面３１を配置することにより、観察者眼球Ｅで観察可能となる位置を広く設定することが可能となる。完全な散乱特性を有する拡散面は、見る位置からの照度ムラや観察する方向に制約を受けることがなくなり好ましい。しかしながら、省電力、小型化を重視する場合には、拡散角が狭い拡散板を用いるのが好ましい。このうようにすると、光源１０からの光の利用効率を向上させることができる。さらに好ましくは、拡散面３１による拡散角が、光強度で１／１０になる拡散角度を全幅で２０°以下にすることが好ましい。
【００２７】
また、拡散面３１としては、少なくとも２面配置することが好ましい。２面以上の拡散面３１を光軸に沿って重ねて配置することにより、同程度の拡散面の粗さでも、ざらつきを低減することが可能となる。
【００２８】
ここで、接眼光学系３０は、通常の正レンズでもよいし、正パワーのフレネルレンズでも、反射鏡でも、フレネル反射鏡でもよい。これらのレンズ面、反射面は、回転対称面だけでなく、偏心したフレネルレンズ面、フレネル反射面、自由曲面、アナモルフィック面でも構成できる。また、これらの反射鏡は表面鏡でも裏面鏡でもよいが、フレネル反射鏡の場合、裏面鏡として構成し、その裏面鏡部分をフレネル反射鏡とすることが好ましい。
【００２９】
そして、このような接眼光学系３０の少なくとも１面に拡散作用をする拡散面３１を一体に設けるようにすることもできる。フレネルレンズ、フレネル反射鏡で接眼光学系３０を構成する場合に、そのフレネル面に拡散作用を分担させることも可能である。
【００３０】
本発明の映像表示装置は、接眼光学系３０を左右共通とし、２次元光走査装置を左右の眼用に別々に設け、接眼光学系３０により左眼用の走査光学系２０Ｌの射出瞳を観察者の左眼ＥＬの瞳近傍に、右眼用の走査光学系２０Ｒの射出瞳を観察者の右眼ＥＲの瞳近傍に投影するように配置し、左右の眼用の光走査装置で左右別々の映像、例えば両眼視差のある映像を表示するようにすることにより、立体像が観察可能な映像表示装置として構成できる。図４にこのような立体像が観察可能な映像表示装置の概念図を示す。映像表示装置は光源１０、照明光学系１１、走査ミラー２、走査光学系２０を備える。また、４０は走査光学系２０の射出瞳である。そして、左右の眼用を示す“Ｌ” 、“Ｒ” を符号の後に付加して、それぞれ左右の眼用であることを示している。また、左右の眼球をそれぞれＥＬ、ＥＲで示している。
【００３１】
この立体像が観察可能な映像表示装置の場合も、被走査面近傍に配置する拡散面３１による拡散角は、光強度で１／１０になる拡散角度を全幅で２０°以下に設定することが必要である。
【００３２】
ところで、本発明において用いる走査光学系は、偏心プリズムを有する。この偏心プリズムは上述のように、走査ミラーに面する入射面、第１反射面、第２反射面、被走査面に面する射出面を有する。そして、そのうちの少なくとも１面を、照明光学系の光学面として兼用させることが好ましい。ここで、照明光学系は、光源からの光を走査ミラーに入射させる光学系である。このような構成にすることにより、光源からの光束を走査ミラーに集光する作用と、走査歪みを補正する作用との両方をこの偏心プリズムに持たせることが可能となる。
【００３３】
さらに、この偏心プリズムは、少なくとも１つの反射面を照明光学系の光学面として兼用させることが望ましい。
【００３４】
また、本発明の２次元光走査装置及び映像表示装置において用いる光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）又はＬＤ（レーザダイオード）がある。これらの発光素子を用いることにより光源部分を小型に構成することが可能になる。この結果、装置全体を小型に構成することが可能となる。また、このような光源を用いることにより色再現性が高まり、特に赤色が鮮やかになる。
【００３５】
また、光源として、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色を含む光源を用いることにより、カラー化できることは言うまでもない。
【００３６】
さらに、光源からの光を合成する光合成素子を有することが望ましい。この光合成素子は、Ｒ、Ｇ、Ｂの少なくとも３色の光を合成するものである。この光合成素子により、その少なくとも３波長の光束を１本の光束とすることが可能になるので、各波長の走査スポットを１点に集めることが可能である。その例を図５の概念図に示す。この例において、色分散プリズム５１が光合成素子である。Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ からの光束は、色分散プリズム５１で１本の光束に合成される。この図では、走査光学系２０が照明光学系１１を兼ねている。走査光学系２０に入射した３つの波長の光は、ここでコリメートされる。そして、コリメートされた３つの波長の光は走査ミラー２に入射し、ここで偏向されて被走査面を２次元走査する。
【００３７】
光合成素子としては、色分散プリズム以外に、ＤＯＥ（回折光学素子）、ＨＯＥ（ホログラフィー光学素子）、ダイクロイックミラー等で光合成素子を用いることができる。
【００３８】
３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ は、図５の場合は、図６（ａ）に示すように、副走査方向に３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ を並列して配置するのが好ましい。ただし、光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の大きさが大きく、図６（ａ）のように副走査方向（Ｙ方向）に直線的に配置できないこともある。このような場合には、図６（ｂ）に示すように、副走査方向（Ｙ方向）に対して斜めに配置すれば良い。そして、主走査方向（Ｘ方向）に走査するときに、各光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ に与える映像信号（変調信号）を主走査方向の各光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の位置ずれに対応する時間だけ遅延させるようにすればよい（電子的色ズレ補正手段）。
【００３９】
また、図６（ｃ）に示すように、各色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ を複数（図の場合は各々２個）配置して、光合成素子で合成された光束をマルチビームにすることもできる。このようにすると、走査ミラー２で１回走査するときに複数本（図の場合２本）の走査線を発生させるようにすることが可能となり、より高精細な表示が可能となる。
【００４０】
さらには、光源の色をＲ、Ｇ、Ｂの３色だけでなく４色以上にすることもできる。そして、上記のようにそれらの複数の色の光源を図６（ａ）〜（ｃ）のようにずらして並列配置することにより、より色再現性の良いカラー映像表示を行うことができる。
【００４１】
また、本発明は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記光源からの光束を前記走査ユニットに入射させる照明光学系と、前記走査ユニットにより走査された光束を被走査面上に入射させる走査光学系と、被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて映像信号により変調されるようにすることができる。
【００４２】
上記のように光合成素子を用いない構成では、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源をずらして配置し、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源による被走査面上での走査線を並列して走査させ、Ｒ、Ｇ、Ｂの走査線を時間的にずらして１本の走査線に重ね合わせることにより、電気信号的に合成してカラー映像表示を行うことができる。その概念図を図７と図８に示す。図７は光学系の配置を示す図、図８は走査線の様子を示す図である。図７において、走査光学系、照明光学系は図示を省いてある。
【００４３】
本構成では、３色の光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ を副走査方向に並列して配置してある。よって、被走査面（接眼光学系３０の面）上には、これら光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の像１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ が副走査方向（Ｙ方向）に並んで投影される。この状態で走査ミラー２を主走査させると、Ｒ、Ｇ、Ｂの走査スポット１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ はＸ方向に同時に移動してＲ、Ｇ、Ｂの走査線を描く。
【００４４】
図８に示すように、１回目の走査を行うと、Ｒ、Ｇ、Ｂの３本の走査線が相互に１走査線分ずれて描かれる。そのとき、Ｒは−１本目の走査線の信号で変調し、Ｇは０本目の走査線の信号で変調し、Ｂは１本目の走査線の信号で変調する。しかし、走査線の−１本目と０本目には映像信号がないので、１回目の走査におけるＲ、Ｇの光源１０Ｒ 、１０Ｇの点灯はない。よって、１回目の走査はＢの光源１０Ｂ のみで走査を行う。
【００４５】
２回目の走査の場合は、Ｙ方向に１走査線分ずらして走査を行う。そのとき、Ｒは０本目の走査線の信号で変調し、Ｇは１本目の走査線の信号で変調し、Ｂは２本目の走査線の信号で変調する。しかし、走査線の０本目には映像信号がないので、２回目の走査におけるＲの光源１０Ｒの点灯はない。よって、２回目の走査はＧとＢの光源１０Ｇ 、１０Ｂのみで走査を行う。
【００４６】
３回目の走査の場合は、Ｙ方向にさらに１走査線分ずらして走査を行う。そのとき、Ｒには１本目の走査線の信号で変調し、Ｇは２本目の走査線の信号で変調し、Ｂは３本目の走査線の信号で変調する。この場合、各光源は点灯している。
【００４７】
このように、カラーで走査を行うのに、Ｒ、Ｇ、Ｂの３本の走査線をＹ方向に１走査線分ずつずらして３回走査を行えば、その１本目の走査線のＲ、Ｇ、Ｂの走査が重なるのでカラー表示をおこなうことができる。以下、２本目以降の走査線についても同じである。このようにして、光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ がずれて配置されていても、走査画面では色ズレのない走査画面を観察することができる。なお、光源１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ の像１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ のズレ量と走査線の間隔を被走査面上で一致させておくか、その整数倍にしておくことが好ましい。
【００４８】
さらに、光源の色を４つ以上で構成することにより、色再現性をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、本発明は、光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査する走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が少なくとも１面以上の反射面を備えた偏心プリズムからなるとともに対称面を有し、
前記走査光学系の光軸と被走査面の交差点を画面原点とした時に前記対称面が前記画面原点を略含むように前記走査光学系を配置し、
１つの走査方向と前記対称面の方向が略一致するように前記走査光学系と前記走査ユニットを配置することもできる。
【００５０】
走査光学系の対称面に画面原点（画像中心）が含まれるようにすると、非回転対称な走査歪みの発生方向を対称面の方向と一致させることが可能となり、偏心収差により前記像歪を補正することが可能となり、収差補正が容易になる。
【００５１】
ところで、被走査面の画面原点Ｏに立てた法線を中心として、走査光学系を角度θ回転して配置したとする。例えば、図９では偏心プリズム２０の対称面がＹ方向と一致した状態から、反時計回りに角度θで回転させている。この場合、偏心プリズム２０の対称面も、Ｙ方向に対して反時計回りに角度θで回転される。そこで、これに合わせて、偏心プリズム２０の光軸を回転軸として、走査ユニットを偏心プリズム２０に対して角度θだけ回転する。この時の回転方向は、偏心プリズム２０側から見て時計回りである。すなわち、偏心プリズム２０に入射する走査光束を、ｘ−ｘ方向からｘ’ −ｘ’ 方向とすることにより、画面上で偏心プリズム２０の回転前と同じＸ方向、Ｙ方向に走査することができる。そして、このような回転配置をとることにより、１つの接眼光学系３０に対して２つの２次元光走査装置を、画面原点Ｏに立てた法線を含む垂直方向の平面の両側に配置する構成に利用することができる。
【００５２】
例えば、図４に示すような立体像が観察可能な映像表示装置の配置にする場合には、同一形状の走査光学系２０を２つ用意すればよくなる。この結果、左右の走査光学系２０を異なる形状、例えば相互に面対称な形状に構成する場合に比べて、走査光学系２０の製造コストを大幅に下げることが可能となる。この場合、当然２つの２次元光走査装置の光源各々は、別々の表示をするように映像信号で変調するようにすることも可能である。また、左右同一の表示を行うために、同じ映像信号で変調するようにすることも可能である。
【００５３】
以下に、本発明の２次元光走査装置及び映像表示装置に用いる光学系の実施例１〜３について説明する。
【００５４】
実施例１〜３の構成パラメータは後記する。実施例では、光線追跡は、被走査面３２から走査光学系を構成する偏心プリズム２０、走査ミラー２、照明光学系を構成する偏心プリズム２０の兼用面を順に経て光源１０に向う順番で、いわゆる逆光線追跡である。また、図１０に示すように、被走査面３２の中心Ｏを通り、光学系の瞳を形成する走査ミラー２中心を通り、光源１０に至る光線で、軸上主光線２８を定義する。そして、逆光線追跡において、被走査面３２の中心Ｏを走査光学系（偏心プリズム）の偏心光学面の原点として、軸上主光線２８に沿う方向をＺ軸方向とする。また、被走査面３２から偏心プリズム２０の被走査面３２に面した面に向かう方向をＺ軸正方向とする。そして紙面に平行な面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とする。（Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。）
偏心面については、光学系の原点の中心Ｏからその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００５５】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面である。
【００５６】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００５７】
なお、実施例１〜３において、被走査面３２の大きさは１６２．５６×１２１．９２ｍｍであり、開口数ＮＡは０．００２であり、また、走査ミラー２の回転角θｘ 、θｙ は次の通りである。
【００５８】
【００５９】
実施例１の光学系を図１０及び図１１示す。図１０は被走査面３２から光源１０に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図、図１１はその主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。本実施例では、走査光学系は偏心プリズムで、被走査面３２に面して配置されている。偏心プリズム２０は、逆光線追跡の順に、射出面を構成する第１面２１、第２反射面を構成する第２面２２、第１反射面を構成する第３面２３、入射面を構成する第４面２４を備えている。そして、偏心プリズム２０の第４面２４に面して、２次元走査ミラー１（図１）の走査ミラー２が配置されている。そして、第１面２１の軸上主光線２８から離れた偏心位置には、光源１０が配置されている。この光源１０からの光束は、偏心プリズム２０の第１面２１を経てプリズム内に入射し、第２面２２、第３面２３の順で内部反射され、第４面２４を経て走査ミラー２に入射する。そして、直交する２つの軸を回転軸として回動する走査ミラー２で反射されて走査された光束は、第４面２４を経てプリズム内に入射する。そして、偏心プリズム２０の第３面２３、第２面２４の順で内部反射して、第１面２１を経てプリズム外に射出する。偏心プリズム２０から射出した光は、遠方に配置された被走査面３２上に走査線を形成する。
【００６０】
この実施例の偏心プリズム２０は、第４面２４から第３面２３へ向かう光束と第２面２２から第１面２１へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置となっている。また、第１面２１は球面（凹面）から構成されており、第２面２２〜第４面２４は自由曲面から構成されている。また、第１面２１〜第４面２４はＹ−Ｚ面内で偏心している。また、この偏心プリズム２０の第１面２１〜第４面２４は全て走査光学系と照明光学系の光学面を兼ねた構成となっている。
【００６１】
実施例２の光学系を図１２及び図１３示す。図１２は被走査面３２から光源１０に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図、図１３はその主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。本実施例では、走査光学系は偏心プリズムで、被走査面３２に面して配置されている。偏心プリズム２０は、逆光線追跡の順に、射出面を構成する第１面２１、第２反射面を構成する第２面２２、第１反射面を構成する第３面２３、入射面を構成する第４面２４、照明光学系の入射面を構成する第５面２５を備えている。そして、偏心プリズム２０の第４面２４に面して、２次元走査ミラー１（図１）の走査ミラー２が配置されている。また、第５面２５に面して光源１０が配置されている。この光源１０からの光束は、この第５面２５を経てプリズム内に入射し、第４面２４からプリズム外に出て走査ミラー２に入射する。直交する２つの軸を回転軸として回動する走査ミラー２で反射されて走査された光束は、第４面２４を経てプリズム内に入射する。そして、偏心プリズム２０の第３面２３、第２面２４の順で内部反射して、第１面２１を経てプリズム外に射出しする。偏心プリズム２０から射出した光は、遠方に配置された被走査面３２上に走査線を形成する。
【００６２】
この実施例の偏心プリズム２０は、第４面２４から第３面２３へ向かう光束と第２面２２から第１面２１へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置となっている。また、第５面２５は第２面２２と第３面２３の間に配置されている。そして、第１面２１は球面（凹面）、第５面２５は球面（凸面）から構成されており、また、第２面２２〜第４面２４は自由曲面から構成されている。また、第１面２１〜第５面２５はＹ−Ｚ面内で偏心している。また、この偏心プリズム２０の第４面２４のみが走査光学系と照明光学系の光学面を兼ねた構成となっている。
【００６３】
実施例３の光学系を図１４及び図１５示す。図１４は被走査面３２から光源１０に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図、図１５はその主要部のＹ−Ｚ面への投影光路図、図１６はその主要部のＸ−Ｙ面への投影光路図である。本実施例では、走査光学系は偏心プリズムで、被走査面３２に面して配置されている。偏心プリズム２０は、逆光線追跡の順に、射出面を構成する第１面２１、第２反射面を構成する第２面２２、第１反射面を構成する第３面２３、入射面を構成する第４面２４、照明光学系の入射面を構成する第５面２５を備えている。そして、偏心プリズム２０の第４面２４に面して、２次元走査ミラー１（図１）の走査ミラー２が配置されている。また、第５面２５に面して光源１０が配置されている。この光源１０からの光束は、この第５面２５を経てプリズム内に入射し、第４面２４からプリズム外に出て走査ミラー２に入射する。直交する２つの軸を回転軸として回動する走査ミラー２で反射されて走査された光束は、第４面２４を経てプリズム内に入射し、第３面２３、第２面２４の順で内部反射して、第１面２１を経てプリズム外に射出する。偏心プリズム２０から射出した光は、遠方に配置された被走査面３２上に走査線を形成する。
【００６４】
この実施例の偏心プリズム２０は、第４面２４から第３面２３へ向かう光束と第２面２２から第１面２１へ向かう光束とを同一平面へ投影したとき、プリズム内で交差する面配置となっているまた、第５面２５は第２面２２と第３面２３の間に配置されている。そして、第１面２１は球面（凹面）、第５面２５は球面（凸面）から構成されており、また、第２面２２〜第４面２４は自由曲面から構成されている。また、第１面２１〜第５面２５は対称面を持たないで３次元的に偏心している。また、この偏心プリズム２０の第４面２４のみが走査光学系と照明光学系の光学面を兼ねた構成となっている。
【００６５】
以下に各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ” は自由曲面、“ＲＥ” は反射面をそれぞれ示す。また，“絞り面” は走査ミラー２の配置位置に、“像面” は光源１０位置に相当する。
【００６６】
上記実施例１〜３の走査歪みを示す図２と同様の図を、それぞれ図１７〜図１９に示す。
【００７０】
以上の本発明の２次元光走査装置及び映像表示装置は例えば次のように構成することができる。
【００７１】
〔１〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とする２次元光走査装置。
【００７２】
〔２〕 前記偏心プリズムの少なくとも１面が、前記光源からの光を前記走査ユニットに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記１記載の２次元光走査装置。
【００７３】
〔３〕 前記偏心プリズムの少なくとも１つの反射面が、前記光源からの光を前記走査ユニットに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記２記載の２次元光走査装置。
【００７４】
〔４〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記被走査面から前記走査ミラーに至る逆光線追跡において、前記被走査面から順番に少なくとも２つの内部反射面で、軸上主光線（被走査面中心から出て走査ミラー中心に至る光線）が当たる位置での面法線と軸上主光線のなす角度をΘ１、Θ２とするとき、
１０°＜Θ１＜４０° ・・・（１）
１０°＜Θ２＜４０° ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７５】
〔５〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記走査ミラーが前記被走査面中心位置の光線を反射しているときに、前記光源からの光線が前記走査ミラーに当たる位置での面法線とその位置に入射する光線とのなす角をΘｍとすると、
１°＜Θｍ＜４５° ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７６】
〔６〕 前記光源として発光ダイオード又はレーザダイオードを用いることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７７】
〔７〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上を含む光源を用いることを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の２次元光走査装置。
【００７８】
〔８〕 前記光源のＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光線を合成する光合成素子を備えていることを特徴とする上記７記載の２次元光走査装置。
【００７９】
〔９〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて変調されることを特徴とする上記７記載の２次元光走査装置。
【００８０】
〔１０〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査する走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が少なくとも１面以上の反射面を備えた偏心プリズムからなるとともに対称面を有し、
前記走査光学系の光軸と被走査面の交差点を画面原点とした時に前記対称面が前記画面原点を略含むように前記走査光学系を配置し、
１つの走査方向と前記対称面の方向が略一致するように前記走査光学系と前記走査ユニットを配置したことを特徴とする２次元光走査装置。
【００８１】
〔１１〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系と、前記走査光学系により形成された被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とする映像表示装置。
【００８２】
〔１２〕 前記被走査面近傍に光拡散性を有する拡散面が配置されていることを特徴とする上記１１記載の映像表示装置。
【００８３】
〔１３〕 前記拡散面による拡散角が、光強度で１／１０になる拡散角度が全幅で２０°以下であることを特徴とする上記１２記載の映像表示装置。
【００８４】
〔１４〕 拡散面が少なくとも２面配置されていることを特徴とする上記１２又は１３記載の映像表示装置。
【００８５】
〔１５〕 前記接眼光学系がフレネルレンズからなることを特徴とする上記１１から１４の何れか１項記載の映像表示装置。
【００８６】
〔１６〕 前記接眼光学系がフレネル反射鏡からなることを特徴とする上記１１から１４の何れか１項記載の映像表示装置。
【００８７】
〔１７〕 前記接眼光学系がフレネル裏面反射鏡からなることを特徴とする上記１６記載の映像表示装置。
【００８８】
〔１８〕 前記拡散面が前記接眼光学系の少なくとも１面に設けられていることを特徴とする上記１２から１７の何れか１項記載の映像表示装置。
【００８９】
〔１９〕 前記偏心プリズムの少なくとも１面が、前記光源からの光を前記走査ミラーに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記１１から１８の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９０】
〔２０〕 前記偏心プリズムの少なくとも１つの反射面が、前記光源からの光を前記走査ユニットに入射させる照明光学系の光学面として兼用していることを特徴とする上記１９記載の映像表示装置。
【００９１】
〔２１〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記被走査面から前記走査ミラーに至る逆光線追跡において、前記被走査面から順番に少なくとも２つの内部反射面で、軸上主光線（被走査面中心から出て走査ミラー中心に至る光線）が当たる位置での面法線と軸上主光線のなす角度をΘ１、Θ２とするとき、
１０°＜Θ１＜４０° ・・・（１）
１０°＜Θ２＜４０° ・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする上記１１から２０の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９２】
〔２２〕 前記走査ユニットは走査ミラーを有し、前記走査ミラーが前記被走査面中心位置の光線を反射しているときに、前記光源からの光線が前記走査ミラーに当たる位置での面法線とその位置に入射する光線とのなす角をΘｍとすると、
１°＜Θｍ＜４５° ・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする上記１１から２１の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９３】
〔２３〕 前記光源として発光ダイオード又はレーザダイオードを用いることを特徴とする上記１１から２２の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９４】
〔２４〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上を含む光源を用いることを特徴とする上記１１から２３の何れか１項記載の映像表示装置。
【００９５】
〔２５〕 前記光源のＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光線を合成する光合成素子を備えていることを特徴とする上記２４記載の映像表示装置。
【００９６】
〔２６〕 前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて映像信号により変調されることを特徴とする上記２４記載の映像表示装置。
【００９７】
〔２７〕 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記光源からの光束を前記走査ユニットに入射させる照明光学系と、前記走査ユニットにより走査された光束を被走査面上に入射させる走査光学系と、被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記光源としてＲ、Ｇ、Ｂの３色以上の光源からなり、被走査面上における前記３色以上の光源の像が相互にずれるように配置され、前記３色以上の光源の像が被走査面上で描く走査線が時間的に相互にずれて略重なり合うように走査され、その時間的なずれに対応して各色の光線が時間的にずれて映像信号により変調されることを特徴とする映像表示装置。
【００９８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、ジンバル構造の走査ミラーを用いて走査歪みの少ない小型の２次元光走査装置と映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ジンバル構造を有する走査ユニットとそれによる２次元走査の様子を示す図である。
【図２】図１のジンバル構造を有する走査ユニットを用いた光走査装置の走査歪みを示す図である。
【図３】本発明による映像表示装置の概念図である。
【図４】本発明による立体像が観察可能な映像表示装置の概念図である。
【図５】光合成素子により３波長の光束を１本の光束とする場合の光走査装置の概念図である。
【図６】３色の光源の配置例を示す図である。
【図７】Ｒ、Ｇ、Ｂの走査線を時間的にずらして１本の走査線に重ね合わせることにより電気信号的に合成してカラー映像表示を行う映像表示装置の光学系の配置を示す図である。
【図８】図７の場合の走査線の様子を示す図である。
【図９】被走査面中心に対して偏心プリズムを斜め方向に配置する場合の２次元走査ミラーの走査方向を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例１の光学系の被走査面から光源に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１１】実施例１の光学系の主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１２】本発明の実施例２の光学系の被走査面から光源に至る全体のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１３】実施例２の光学系の主要部のＹ−Ｚ断面内の光路図である。
【図１４】本発明の実施例３の光学系の被走査面から光源に至る全体のＹ−Ｚ面への投影光路図である。
【図１５】実施例３の光学系の主要部のＹ−Ｚ面への投影光路図である。
【図１６】実施例３の光学系の主要部のＸ−Ｙ面への投影光路図である。
【図１７】実施例１の走査歪みを示す図２と同様の図である。
【図１８】実施例２の走査歪みを示す図２と同様の図である。
【図１９】実施例３の走査歪みを示す図２と同様の図である。
【符号の説明】
１…ジンバル構造を有する走査ユニット
２…走査ミラー
３…中間枠
４…外枠
５…軸
６…軸
７…入射光ビーム
８…反射光ビーム
１０、１０Ｌ、１０Ｒ、１０Ｒ 、１０Ｇ 、１０Ｂ …光源
１０Ｒ ’ 、１０Ｇ ’ 、１０Ｂ ’ …Ｒ、Ｇ、Ｂの走査スポット
１１、１１Ｌ、１１Ｒ…照明光学系
２０、２０Ｌ、２０Ｒ…走査光学系（偏心プリズム）
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
２５…第５面
２８…軸上主光線
３０…接眼光学系
３１…拡散面
３２…被走査面
４０、４０Ｌ、４０Ｒ…接眼光学系によって投影された２次元光走査装置の射出瞳の像
５１…色分散プリズム
Ｅ、ＥＬ、ＥＲ…観察者眼球
Ｏ…被走査面の中心
Claims (3)
- 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とする２次元光走査装置。 - 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査する走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系とを備えた２次元光走査装置であって、
前記走査光学系が少なくとも１面以上の反射面を備えた偏心プリズムからなるとともに対称面を有し、
前記走査光学系の光軸と被走査面の交差点を画面原点とした時に前記対称面が前記画面原点を略含むように前記走査光学系を配置し、
１つの走査方向と前記対称面の方向が略一致するように前記走査光学系と前記走査ユニットを配置したことを特徴とする２次元光走査装置。 - 光源と、前記光源からの光束を２次元方向に走査するジンバル構造の走査ユニットと、前記走査ユニットにより走査された光束の走査歪みを補正する作用を持つ非回転対称面を有する走査光学系と、前記走査光学系により形成された被走査面近傍に配置され前記走査光学系の射出瞳を観察者の瞳近傍に投影する正のパワーを有する接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記走査光学系が、前記走査ユニットで走査された光束をプリズム内に入射させる入射面と、前記入射面からプリズム内に入射した光束をプリズム内で反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光束をプリズム内で反射する第２反射面と、前記第２反射面で反射された光束をプリズム外に射出する射出面とを備え、前記入射面から前記第１反射面へ向かう光束と前記第２反射面から前記射出面へ向かう光束とがプリズム内で交差する面配置の偏心プリズムからなり、前記入射面、前記第１反射面、前記第２反射面、前記射出面の少なくとも１面が非回転対称面からなることを特徴とする映像表示装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20051004 |