JP2004077549A - 走査型表示光学系、走査型画像表示装置および走査型画像表示システム - Google Patents
走査型表示光学系、走査型画像表示装置および走査型画像表示システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】走査光学系にポリゴンミラーを使用すると、反射面数が多いため走査光学系や走査型画像表示装置が大型化する。
【解決手段】光源４ａからの光を第１の方向に走査する第１の走査手段３と、第１の走査手段からの光を第１の方向とは異なる第２の方向に走査する走査手段５とを設け、第１の走査手段と第２の走査手段との間に、第１の走査手段からの光を第２の走査手段に導く、少なくとも１つの反射面を含む導光光学系２を設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】光源４ａからの光を第１の方向に走査する第１の走査手段３と、第１の走査手段からの光を第１の方向とは異なる第２の方向に走査する走査手段５とを設け、第１の走査手段と第２の走査手段との間に、第１の走査手段からの光を第２の走査手段に導く、少なくとも１つの反射面を含む導光光学系２を設ける。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を走査することによって画像を投射表示する走査型表示光学系、走査型画像表示装置および走査型画像表示システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型画像表示装置は、一般的に高い解像力を有するなどの特徴を備えており、これまで種々の構成が提案されている。
【０００３】
例えば、「光学技術コンタクトｖｏｌ．２１． Ｎｏ．６−７」（１９８３）に掲載されているレーザディスプレイがある。これはレーザビームを光変調器により変調し、それを高速で回転するポリゴンミラーとガルバノミラーで２次元に走査することで、高品位のテレビ画像を得るものである。また、同様の技術が特開２０００−１８０７５９号公報にも提案されている。
【０００４】
これらの画像表示装置は、多面体ミラー（ポリゴンミラー）を用いることで、高速の水平走査を実現している。より具体的には、水平走査速度を高速にするため面数の８面以上の反射面を有するポリゴンミラーを使用している。
【０００５】
一方、近年、半導体製造技術を利用した微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：以降ＭＥＭＳ）とよばれるデバイスが開発されている。
【０００６】
ＭＥＭＳ技術により作成された機械は、非常に小型・軽量であり、応答性が非常に速いといった特徴を有し、さまざま分野への応用が検討されている。特に、光学の分野へＭＥＭＳを応用したＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と称される分野への開発が盛んであり、ＭＥＭＳ技術を用いた走査デバイスなどが開発されている。
【０００７】
このような ＭＥＭＳ技術を利用した走査デバイスを用いた画像表示装置に関する技術は、特開２００１−２８１５８３号公報などに提案されている。この特開２００１−２８１５８３号公報には、光源から発せられた光を走査デバイスによって２次元方向に偏向して被投射面上を２次元走査する走査光学系が提案されており、ＭＥＭＳ技術等で作成された走査デバイスと回転非対称面を含む光学系とにより小型の走査光学系を実現している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
「光学技術コンタクトｖｏｌ．２１． Ｎｏ．６−７ （１９８３） 」に掲載されたレーザディスプレイ、あるいは特開２０００−１８０７５９号公報にて提案の走査光学系では、走査デバイスとして反射面を８面有するポリゴンミラーを使用している。これらは、高速走査は可能であるものの、１つの光学素子としての反射面数が多いため、走査デバイスとして大型化しやすい。
【０００９】
また、特開２００１−２８１５８３号公報では、同公報の図３に示されるような走査デバイスを用いている。すなわち、反射面を２つの軸３１，３３を中心に揺動させることで光を走査する。しかしながら、１つの反射面で２軸方向の走査を行うために、走査デバイスの構造が複雑化したりデバイスが大型化したりしてしまう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の走査型表示光学系は、光源と、この光源からの光を第１の方向に走査する第１の走査手段と、第１の走査手段からの光を第１の方向とは異なる第２の方向に走査する走査手段とを設け、第１の走査手段と第２の走査手段との間に、第１の走査手段からの光を第２の走査手段に導く、少なくとも１つの反射面を含む光学系を設け、以下この光学系を導光光学系と呼ぶことにする。
【００１１】
このように第１の走査手段と第２の走査手段との間に光路を折り畳む反射面を含む導光光学系を設けることにより、両走査手段の配置自由度を高めるとともに、コンパクトな走査型表示光学系、さらには走査型画像表示装置を実現する。
【００１２】
ここで、導光光学系を、回転非対称形状の反射面を含む構成とするとよい。回転対称軸を有さない非共軸光学系は、その光学的な近軸量の算出、収差補正に関する研究が近年活発に行われ、特開平９−５６５０号公報や、「 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ （１），（２）」（ＯＰＴＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ｖｏｌ．７，Ｎｏ．３，４ （２０００）等に掲載されている。
【００１３】
本発明においても、導光光学系が回転対称軸を有さない回転非対称形状の反射面を有することにより、走査手段によって発生する像の歪みを補正することが可能となる。
【００１４】
さらに、第１の走査手段と第２の走査手段の間にある導光光学系により、これら第１および第２の走査手段の光学面を実質的な共役関係とすることにより、第１および第２の走査手段の光学面（反射面）の面積を小さくすることが可能となり、走査型表示光学系および画像表示装置全体を小型にすることが可能となる。
【００１５】
さらに、第１の走査手段の光の偏向角が、時間に対して正弦波的に変化するようにすることにより、半導体プロセス等で作製されたミラーを用いて、高速動作が可能となる。特に、機械的な共振作用を利用してこのミラーを動作させると、高速動作に加えて、光の偏向角を大きくすることが可能となる。よって、走査型表示光学系および画像表示装置全体を小型にすることができる。
【００１６】
また、第１〜第２の走査手段からなる走査光学系中で、導光光学系の光路中で光を結像させることで、第１の走査手段の光の偏向特性を補正するような歪曲収差を発生させ、これによって正弦波的に変化するミラーの動きを補償することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明する前に、各実施形態の表記に共通する事項についてここで説明する。
【００１８】
各実施形態の光学系は回転対称軸を有さない非共軸光学系である。そこで、回転対称軸に相当する基準軸を定義する。また、絶対空間における座標系の原点を本実施形態においては第１面の中心に設定する。被走査面（最終像面）の中心と第１面の中心とを通り、物体面に対して垂直になる光線を基準軸光線とし、この基準軸光線がたどる光路を基準軸と定義する。この基準軸は向きを有し、その向きは、基準軸光線が結像するために進行する向きである。
【００１９】
なお、本実施形態においては、基準軸を上記のように設定したが、これは光学系を表現しやすいように設定した一例である。したがって、座標軸の設定の仕方を変えると、光学系の表記の仕方も変わる。但し、上記のように設定した場合に同様の表記になれば同様の効果が得られるため、その表記方法は限定しない。
【００２０】
本実施形態においては、絶対座標系である第１面の中心を通り、被走査面（最終像面）の中心に至る基準軸光線が、各屈折面および反射面などの光学面によって屈折および反射作用を受けながらたどる経路を基準軸とし、屈折あるいは反射作用を受ける順番に第ｉ面という形で光学面を表記する。
【００２１】
また本実施形態の光学系を構成する各光学面は他の光学面に対してチルトしており、そのチルト量については以下のような手順で表記する。
【００２２】
絶対座標系における３次元の座標軸をＺ軸，Ｙ軸，Ｘ軸としたとき、
Ｚ軸：第０面（物体面）の中心から第１面の中心（絶対座標系の原点）を通る直線であり、この方向が正
Ｙ軸：第１面の中心（絶対座標系の原点）を通り、Ｚ軸に対して反時計回り方向に９０度（ｄｅｇｒｅｅ）をなす直線
Ｚ軸：上記原点を通り、Ｚ軸およびＹ軸に垂直な直線
とする。
【００２３】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状の表記については、基準軸と第ｉ面とが交差する点を原点とするローカル座標系を設定し、そのローカル座標系に基づいた関数により表現する。第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は、絶対座標系のＺ軸に対して、反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位はｄｅｇｒｅｅ）で表す。
【００２４】
本実施形態では、チルト角をＹＺ面内でのみに設定している。第ｉ面のローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は、絶対座標系のＹＺ面内にあり、ＹＺ面内で角度θｉ傾いている。３次元の座標軸をｚ軸，ｙ軸，ｘ軸としたとき、
ｚ軸：ローカル座標系の原点を通り、絶対座標系のＺ軸に対してＹＺ面内において反時計回り方向にθｉをなす直線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に９０度（ｄｅｇｒｅｅ）をなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線
とする。
【００２５】
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との原点間隔、Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ第ｉ面と第（ｉ＋１）面の間のｄ線の屈折率とアッベ数を表している。
【００２６】
さらに、本実施形態で使用されている回転対称軸を有さない回転非対称面の形状は以下の関数式で表現する。
【００２７】
【数１】
【００２８】
この関数は、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）により面形状を定義する関数である。
【００２９】
また、同関数式において、ローカル座標系でｘの奇数次に関する項を０とすることにより、ｙｚ平面に対して対称な面を得ることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態では、すべての光学面のうちの一部に回転対称性を有する回転対称非球面を用いており、その形状を、
【００３１】
【数２】
【００３２】
として表現する。
【００３３】
ここで、
ｈ２＝ｘ２＋ｙ２
である。この回転対称非球面に関しても、各ローカル座標系により定義する。
【００３４】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である走査型表示光学系を有する走査型画像表示装置の構成の概要を示している。
【００３５】
図１において、１は本実施形態の走査型画像表示装置であり、４は光源光学系、１０は走査光学系である。光源光学系４および走査光学系１０により走査型表示光学系が構成される。
【００３６】
走査光学系１０は、水平方向走査デバイス（第１の走査手段）３と、垂直方向走査デバイス（第２の走査手段）５と、反射面２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを含む導光光学系２とを有して構成されている。
【００３７】
光源光学系４は、変調可能な半導体レーザ等の光源４ａと集光光学系４ｂとを有する。光源４ａには、変調回路４ｃが接続されており、変調回路４ｃには、パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオプレーヤー、ＤＶＤプレーヤー等の画像情報供給装置３０が接続されている。変調回路４ｃは、画像情報供給装置３０から入力された画像情報に応じて光源４ａを変調動作させる。
【００３８】
光源４ａから発せられた変調光は、光学系４ｂに入射してコリメートされる。コリメートされた変調光は、水平走査デバイス３に入射する。
【００３９】
水平走査デバイス３は、回転軸３ａを軸として反射面３ｂが揺動し、入射した光を反射偏向して水平方向に走査するように構成されている。
【００４０】
水平走査デバイス３により反射偏向された変調光は、導光光学系２に入射する。導光光学系２は、入射口２ａと射出口２ｇとを有し、その間に回転対称軸を持たない（すなわち、回転非対称形状を有する）反射面２ｂ〜２ｆが配置されている。導光光学系２に入射口２ａを通って入射した光は、反射面２ｂ〜２ｆで順次反射しながら射出口２ｂまで進み、射出口２ｂから射出する。なお、本実施形態では、入射口２ａ，射出口２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成してもよいし、各反射面２ｂ〜２ｆを個別のミラーによって構成してもよい。
【００４１】
導光光学系２から射出した光は、垂直走査デバイス（第２の走査手段）５に入射する。垂直走査デバイス５は、回転軸５ａを中心に反射面５ｂが揺動し、入射した光を反射偏向して、水平走査デバイス３の光走査方向と直交する垂直方向に走査するように構成されている。
【００４２】
そして、上記水平走査デバイス３および垂直走査デバイス５による水平方向および垂直方向の走査作用によって、光源４ａからの光ビームを２次元に走査することが可能であり、光源４ａの変調と走査デバイス３，５の動作とを同期させることによって、ラスタースキャン等を行い、不図示のスクリーン等の被投射面（被走査面）に画像を投射表示することができる。図１には、被投射面に向かう方向を矢印８で示している。
【００４３】
以下に本実施形態の画像表示装置１の光学系のさらに詳しい構成を説明する。図２は、上記画像表示装置の水平走査方向（主走査方向）の断面である。図２では、図１で示した垂直走査デバイス５から射出した光線の光路がよくわかるように水平走査の１サイクル分をまとめて示している。なお、図２では光源光学系４を省略しており、水平走査デバイス３によって水平方向に偏向される光線の光路を示している。
【００４４】
水平走査デバイス３および垂直走査デバイス５で偏向され、走査光学系１０から射出した光線は、スクリーン９上を走査する。
【００４５】
図中の９ａ〜９ｅはスクリーン９上での走査点の例を表しており、水平走査デバイス３による光の偏向作用の進行に伴って、走査点が９ｅ→９ｄ→９ａ→９ｂ→９ｃのように動いていく。
【００４６】
図３には、本実施形態の画像表示装置１の光学系の詳細を示す。図３も、水平走査方向の断面を示している。図３では、図１に示した光源４ａからの光線（光学系４ｂによってコリメートされた光線）が水平走査デバイス３によって偏向されたあとの光路を示している。但し、垂直走査デバイス５に入射し、図２に示したスクリーン９に進む光線についてはその光路を展開して示している。実際には、図１に示したように、図３の紙面垂直方向に光路が折り返される。
【００４７】
ここで、本実施形態で用いられている水平走査デバイス３は、反射面３ｂの振れ角が１１．７度の共振走査型デバイスである。
【００４８】
走査型デバイスである水平走査デバイス３は、例えば図８に示す構成を有する。走査型デバイスは、半導体プロセス等によって作成された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）であり、反射面（水平走査面）３ｂと、この反射面３ｂの揺動中心となる軸３ａとを有している。反射面３ｂは、梁部３ｅによってベース部３ｄと結合されていおり、これらの構造から機械的な共振周波数が設定されている。
【００４９】
外部から周期的な力を作用させることによって、反射面３ｂを軸３ａに対して傾けることが可能となる。この反射面３ｂの傾きによって、入射した光を偏向させることが可能となる。この外部からの力は、電磁力、静電気力などの力が利用することが可能である。
【００５０】
反射面３ｂの最大振幅をΦｍａｘ とすると、偏向角はその２倍となるので、偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
と表される。
【００５１】
ここで、ωは水平走査デバイス３の角振動数、ｔは時間を表している。
【００５２】
本実施形態では、θｍａｘ＝１１．７度である。このような共振型の走査デバイスは、上記式から理解できるように、最大振幅となった状態で走査速度が０になる。このため、最大振幅に対する有効な振幅（有効振幅θｅｆｆ ）の割合を設定する必要があり、本実施形態では０．７５である。
【００５３】
つまり、
θｅｆｆ ＝ ０．７５ Φ
であり、θ＜θｅｆｆ の範囲にあるθで、画像を表示する。
【００５４】
以下に、本実施形態の数値実施例を示す。ここで、数値実施例１では、図３中における水平走査デバイス３の反射面３ｂが第１面になっており、さらに、図３に示した反射面３ｂの軸３ｃが偏心量データの基準と一致している。また、数値実施例１は、導光光学系２を構成する入射口（透過面）２ａ，射出口（透過面）２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成した場合を示している。図３中の各光学面と数値実施例１との対応は以下の通りである
図３ 数値実施例１
透過面２ａ→第２面
反射面２ｂ→第３面
反射面２ｃ→第４面
反射面２ｄ→第５面
反射面２ｅ→第６面
反射面２ｆ→第７面
透過面２ｇ→第８面
また、図３に示した垂直走査デバイス５は、水平走査デバイス３と同様の構成を有し、その反射面（垂直走査面）５ｂは、数値実施例１では第９面としている。
＜＜数値実施例１＞＞
水平走査角 ±２３．４度（光学角）
有効走査振幅割合 ０．７５
入射瞳径 １．０ｍｍ
以下，面の係数を示すが、ｅ−００１は、１０の−１乗を表すという形で表記する。
【００５５】
面形状データ
第２面（回転対称非球面）
ｒ２ ＝２５４５．１０５
ｋ ＝２９６２４３６．４２２
ａ ＝０．０００００ｅ＋０００
ｂ ＝８．７３８６２ｅ−００４
第３面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．９９６３５ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．１６７７７ｅ−００２
Ｃ０３＝１．４０３７２ｅ−００３ Ｃ２１＝３．２２２１７ｅ−００３
Ｃ０４＝２．１３６６３ｅ−００４ Ｃ２２＝７．１９６３４ｅ−００４ Ｃ４０＝３．８１６３８ｅ−００４
第４面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．５８８０９ｅ−００２ Ｃ２０＝３．４６７７３ｅ−００２
Ｃ０３＝２．９４３１２ｅ−００３ Ｃ２１＝７．９５１１３ｅ−００３
Ｃ０４＝−３．０４５５７ｅ−００４ Ｃ２２＝−９．０７１６５ｅ−００４ Ｃ４０＝２．０５１２６ｅ−００３
第５面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．３９２８４ｅ−００２ Ｃ２０＝−１．４２９２２ｅ−００１
Ｃ０３＝１．２２２４１ｅ−００３ Ｃ２１＝３．０１６１９ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．４２７１４ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．６５０８７ｅ−００３ Ｃ４０＝−３．７９８４６ｅ−００２
第６面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．７８１８８ｅ−００２ Ｃ２０＝−８．３３９１９ｅ−００２
Ｃ０３＝３．６４４９４ｅ−００３ Ｃ２１＝９．８２７８６ｅ−００４
Ｃ０４＝−１．０９６２１ｅ−００３ Ｃ２２＝−８．３１３９３ｅ−００３ Ｃ４０＝３．５０８５７ｅ−００３
第７面（回転非称面）
Ｃ０２＝−２．１８１３６ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．４３３３５ｅ−００２
Ｃ０３＝６．５４２２２ｅ−００５ Ｃ２１＝１．１５５５９ｅ−００３
Ｃ０４＝−４．０４４５０ｅ−００４ Ｃ２２＝−１．３４１２７ｅ−００３ Ｃ４０＝−８．５９８５２ｅ−００４
第８面（回転対称非球面）
ｒ８＝ １５．４５８
ｋ ＝ １４．０６６
ａ ＝−４．８９１６０ｅ−００３
ｂ ＝−１．１４５１０ｅ−００４
上記偏心量データと面形状データは、図９に示した座標系上でのデータである。なお、これ以降に説明する数値実施例に関しても同様である。
【００５６】
図４は、数値実施例１における図３に示した面内における横収差図である。光線の波長は５３２ｎｍである。但し、この波長は本実施形態の光学性能を示すためのものであり、光源４ａからの光線の波長がこの波長というわけではない。本実施形態において、水平走査デバイス３により光学的な最大走査角は、±２３．４度であり、そのうちの０．７５（±１７．５度）までのビーム径１．０ｍｍでの光学特性を示している。図４より本実施形態の横収差特性が良好であることがわかる。また、この範囲において、共振動作する水平走査デバイス３の反射面３ｂの偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
であり、反射面３ｂに正弦的に動作する特性を持たせて、走査点の時間的な移動が等間隔になるように構成されている。このように構成することにより、光源４ａを変調する、図１に示した変調回路４ａに対する負担を軽減することが可能となる。
【００５７】
さらに、図３の光路図を見てわかるように、水平走査デバイス３の反射面３ｂと垂直走査デバイス５の反射面５ｂとが、導光光学系２によって実質的に共役な関係を持たされている。このため、垂直走査デバイス５の反射面５ｂを小型にすることができる。
【００５８】
図５は、水平走査デバイス３で水平方向に走査され、導光光学系２を介して垂直走査デバイス５により垂直方向に走査された光線が光学系１１を介してスクリーン（図２参照）に投射される場合の概要を示した図である。図５中において、矢印６は水平走査方向を、矢印７は垂直走査方向を表している。光学系１１は、両側が平面であるガラスである。
【００５９】
光学系１１は、走査光学手段３，５および走査光学系２を保護する役割を持たすことができる。さらに、この光学系１１を非球面等にすることにより光学性能を向上させることが可能となる。
【００６０】
図６は、本実施形態の投射型画像表示装置１によって走査された２次元画像の表示例を示しており、水平走査方向は図中に矢印１２で、垂直方向は矢印１３で示している。
【００６１】
この図から分かるように、走査光学系の構成によって画面の中心と画面の上側、あるいは下側の水平走査方向（主走査方向）において歪が発生する。この歪に関しては、光源４ａの変調信号あるいは水平走査デバイス３の振れ角などを調節することで補正することが可能である。また、図５における光学系１１によりその補正をすることも可能である。
【００６２】
図７（ａ）〜（ｃ）には、図１において簡略化して示した光源光学系４の具体的構成例を示している。いずれの構成例においても、光源４ａからの光線が光学系４ｂで平行化され、水平走査デバイス３に入射するように構成されている。
【００６３】
また、図７（ａ）〜（ｃ）には、水平走査デバイス３により走査された光線の光路も併せて示しており、走査された光線は導光光学系２に入射する。
【００６４】
光源光学系４は、光源４ａからの光線を図７（ａ）に示すように反射を介さずに水平走査デバイス３に入射させる以外に、図７（ｂ）に示すように光学系４ｂ内に反射面を配置して構成してもよい。これにより光源４ａの配置自由度が増える。
【００６５】
さらに、図１および図７（ａ），（ｂ）では、光源４ａが１つの場合を示したが、図７（ｃ）に示すように、赤，青，緑の色光を発する光源４ａｒ，４ａｂ，４ａｇを設け、これら光源４ａｒ，４ａｂ，４ａｇからの色光をダイクロイックプリズムなどの色合成素子４ｄによって合成して水平走査デバイス３に入射させるようにしてもよい。
【００６６】
また、本実施形態においては、光源４ａとして、直接変調可能な光源を示した。例えば、半導体レーザ、ＬＥＤなどの光源が利用でできる。また、半導体レーザを利用した波長変換レーザを用いたり、あるいは、固体レーザなどの光源を連続発光させ、その光束を光変調器によって変調させる方式であっても同様の効果が得られる。
【００６７】
本実施形態においては、前述したように、走査光学系１０のうち導光光学系２を、入射面２ａ（第２面）と射出面２ｇ（第８面）と反射面２ｂ〜２ｆ（第３面〜第７面）を表面に有する一体の透明体で構成した。このような構成にすると、導光光学系２を一体で作製することが可能となり、各面の位置精度を確保する上で有利であるとともに、導光光学系の小型化をも実現することができる。
【００６８】
透明体のうち反射面を構成する面には、銀やアルミニウムなどの薄膜を蒸着等によって形成して反射率を高めるのがよい。また、透明体を構成する材料としては、光学的に透明なガラスや樹脂材料を使用することができる。
【００６９】
なお、導光光学系２は、このように全体を１つの透明体上に構成しなくても、複数のミラーで構成したり、２つの以上の部分に分割した透明体を組み合わせて構成したりしてもよい。また、導光光学系の反射面の数は本実施形態のものに限られず、導光光学系内にレンズ等の屈折素子を入れてもよい。
【００７０】
（第２実施形態）
図１０には、本発明の第２実施形態である走査型表示光学系を有する走査型画像表示装置の構成を示している。本実施形態において、第１実施形態中の構成要素に対応する構成要素には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。
【００７１】
図１０には、光源４ａ（図１参照）から発せられて光学系４ｂ（図１参照）によってコリメートされた光線が、水平走査デバイス３によって偏向されたあとの光路を示している。但し、垂直走査デバイス５に入射し、スクリーン（図２参照）に進む光線についてはその光路を展開して示している。実際には、図１０の紙面垂直方向に光路が折り返される。
【００７２】
本実施形態において、水平走査デバイス３は、振れ角１１．７度の共振走査型デバイスであり、図８に示したものと同様の構成を有する。
【００７３】
また、反射面３ｂの最大振幅をΦｍａｘとすると、偏向角はその２倍となるので、偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
と表される。
【００７４】
ここで、ωは水平走査デバイス３の角振動数、ｔは時間を表している。
【００７５】
本実施形態では、θｍａｘ＝１１．７度である。このような共振型の走査デバイスは、上記式から理解できるように、最大振幅となった状態で走査速度が０になる。このため、最大振幅に対する有効な振幅（有効振幅θｅｆｆ ）の割合を設定する必要があり、本実施形態では０．７５である。
【００７６】
つまり、
θｅｆｆ ＝ ０．７５ Φ
であり、θ＜θｅｆｆ の範囲にあるθで、画像を表示する。
【００７７】
以下に、本実施形態の数値実施例を示す。ここで、数値実施例２では、図１０中における水平走査デバイス３の反射面３ｂが第１面になっており、さらに、図１０に示した反射面３ｂの軸３ｃが偏心量データの基準と一致している。また、数値実施例２は、導光光学系２を構成する入射口（透過面）２ａ，射出口（透過面）２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成した場合を示している。図１０中の各光学面と数値実施例２との対応は以下の通りである
図１０ 数値実施例２
透過面２ａ→第２面
反射面２ｂ→第３面
反射面２ｃ→第４面
反射面２ｄ→第５面
反射面２ｅ→第６面
反射面２ｆ→第７面
透過面２ｇ→第８面
また、図１０に示した垂直走査デバイス５の反射面５ｂは、数値実施例２では第９面としている。
＜＜数値実施例２＞＞
水平走査角 ±２３．４度（光学角）
有効走査振幅割合 ０．７５
入射瞳径 ０．９０
面形状データ
第２面（回転対称非球面）
ｒ ２＝５０３１．４９７
ｋ ＝１２４５３０８９．６０７
ａ ＝０．０００００ｅ＋０００
ｂ ＝８．８８０５９ｅ−００４
第３面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．９９２２０ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．１１９４０ｅ−００２
Ｃ０３＝１．４５８１２ｅ−００３ Ｃ２１＝３．５５２８２ｅ−００３
Ｃ０４＝２．１９７４７ｅ−００４ Ｃ２２＝７．８６６５９ｅ−００４ Ｃ４０＝３．４１０１４ｅ−００４
Ｃ０５＝−８．０６２４６ｅ−００７ Ｃ２３＝６．９１７０５ｅ−００７ Ｃ４１＝−１．２２４８０ｅ−００５
Ｃ０６＝２．５４８１９ｅ−００７ Ｃ２４＝８．６４４９４ｅ−００７ Ｃ４２＝１．３４９４５ｅ−００５
Ｃ６０＝−４．５６９６９ｅ−００５
第４面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．５８５４２ｅ−００２ Ｃ２０＝３．７３７８４ｅ−００２
Ｃ０３＝３．０５３０２ｅ−００３ Ｃ２１＝８．２８８９７ｅ−００３
Ｃ０４＝−３．１３１８０ｅ−００４ Ｃ２２＝−９．３４３８８ｅ−００４ Ｃ４０＝２．８６２４３ｅ−００４
Ｃ０５＝−９．３１８７４ｅ−００８ Ｃ２３＝−１．０５７２２ｅ−００６ Ｃ４１＝−９．３５０４２ｅ−００７
Ｃ０６＝−６．０８２６５ｅ−００８ Ｃ２４＝−１．２８６００ｅ−００７ Ｃ４２＝１．１０１１５ｅ−００５
Ｃ６０＝−３．２７０９９ｅ−００４
第５面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．３８５７０ｅ−００２ Ｃ２０＝−１．３６０４７ｅ−００１
Ｃ０３＝１．２５９２１ｅ−００３ Ｃ２１＝２．４００２９ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．４７７０２ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．５４７７６ｅ−００３ Ｃ４０＝−８．８５８７９ｅ−００２
Ｃ０５＝１．２４０９９ｅ−００７ Ｃ２３＝３．８０００８ｅ−００７ Ｃ４１＝１．″８５２１ｅ−００４
Ｃ０６＝−２．２５８６２ｅ−００８ Ｃ２４＝−１．０２８７６ｅ−００６ Ｃ４２＝９．９４９８３ｅ−００５
Ｃ６０＝３．２８８１７ｅ−００６
第６面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．７７３２９ｅ−００２ Ｃ２０＝−７．５３７６８ｅ−００２
Ｃ０３＝３．９４９２９ｅ−００３ Ｃ２１＝１．８１００５ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．２０９８６ｅ−００３ Ｃ２２＝−８．３２２９１ｅ−００３ Ｃ４０＝−２．０１９３５ｅ−００２
Ｃ０５＝３．０３２３９ｅ−００６ Ｃ２３＝１．２６４７６ｅ−００５ Ｃ４１＝−５．８３９０２ｅ−００３
Ｃ０６＝２．２５９９５ｅ−０１１ Ｃ２４＝−２．１７４７４ｅ−００７ Ｃ４２＝５．２７６５７ｅ−００５
Ｃ６０＝−５．０３５５８ｅ−００２
第７面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−２．１８３５１ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．３６１２２ｅ−００２
Ｃ０３＝８．２８１６５ｅ−００５ Ｃ２１＝１．２３９９２ｅ−００３
Ｃ０４＝−４．１９５０２ｅ−００４ Ｃ２２＝−１．３９３２８ｅ−００３ Ｃ４０＝−１．２６４２８ｅ−００３
Ｃ０５＝５．７０２２８ｅ−００７ Ｃ２３＝７．９６０８０ｅ−００８ Ｃ４１＝１．２７０１８ｅ−００５
Ｃ０６＝−９．５７９２１ｅ−００９ Ｃ２４＝１．４４５９２ｅ−００６ Ｃ４２＝−１．９６５７４ｅ−００５
Ｃ６０＝６．３３７４８ｅ−００５
第８面（回転非対称面）
ｒ８＝ １５．４２４
ｋ ＝ ６．７９３
ａ ＝−４．７７１９０ｅ−００３
ｂ ＝−１．１５８４５ｅ−００４
図１１は、数値実施例２における横収差図である。光線の波長は５３２ｎｍである。但し、この波長は本実施形態の光学性能を示すためのものであり、光源４ａからの光線の波長がこの波長というわけではない。本実施形態において、水平走査デバイス３により光学的な最大走査角は、±２３．４度であり、そのうちの０．７５（±１７．５度）までのビーム径０．９ｍｍでの光学特性を示している。図１１より本実施形態の横収差特性が良好であることがわかる。また、この範囲において、共振動作する水平走査デバイス３の反射面３ｂの偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
であり、反射面３ｂに正弦的に動作する特性を持たせて、走査点の時間的な移動が等間隔になるように構成されている。このように構成することにより、光源４ａを変調する変調回路４ａ（図１参照）に対する負担を軽減することが可能となる。
【００７８】
さらに、図１０の光路図を見てわかるように、水平走査デバイス３の反射面３ｂと垂直走査デバイス５の反射面５ｂとが、導光光学系２によって実質的に共役な関係を持たされている。このため、垂直走査デバイス５の反射面５ｂを小型にすることができる。
【００７９】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、導光光学系２を、入射面２ａ（第２面）と射出面２ｇ（第８面）と反射面２ｂ〜２ｆ（第３面〜第７面）を表面に有する一体の透明体で構成した。このような構成にすると、導光光学系２を一体で作製することが可能となり、各面の位置精度を確保する上で有利であるとともに、導光光学系の小型化をも実現することができる。
【００８０】
透明体のうち反射面を構成する面には、銀やアルミニウムなどの薄膜を蒸着等によって形成して反射率を高めるのがよい。また、透明体を構成する材料としては、光学的に透明なガラスや樹脂材料を使用することができる。
【００８１】
なお、導光光学系２は、このように全体を１つの透明体上に構成しなくても、複数のミラーで構成したり、２つ以上の部分に分割した透明体を組み合わせて構成したりしてもよい。また、導光光学系の反射面の数は本実施形態のものに限られず、導光光学系内にレンズ等の屈折素子を入れてもよい。
【００８２】
（第３実施形態）
図１２には、本発明の第３実施形態である走査型表示光学系を有する走査型画像表示装置の構成を示している。本実施形態において、第１実施形態中の構成要素に対応する構成要素には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。
【００８３】
図１２には、光源４ａ（図１参照）から発せられて集光光学系４ｂ（図１参照）によってコリメートされた光線が、水平走査デバイス３によって偏向されたあとの光路を示している。但し、垂直走査デバイス５に入射し、スクリーン（図２参照）に進む光線についてはその光路を展開して示している。実際には、図１２の紙面垂直方向に光路が折り返される。
【００８４】
本実施形態において、水平走査デバイス３は、振れ角１０．９６度の共振走査型デバイスであり、図８に示したものと同様の構成を有する。
【００８５】
また、反射面３ｂの最大振幅をΦｍａｘとすると、偏向角はその２倍となるので、偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
と表される。
【００８６】
ここで、ωは水平走査デバイス３の角振動数、ｔは時間を表している。
【００８７】
本実施形態では、θｍａｘ＝１０．９６度である。このような共振型の走査デバイスは、上記式から理解できるように、最大振幅となった状態で走査速度が０になる。このため、最大振幅に対する有効な振幅（有効振幅θｅｆｆ ）の割合を設定する必要があり、本実施形態では０．８０である。
【００８８】
つまり、
θｅｆｆ ＝ ０．８０ Φ
であり、θ＜θｅｆｆ の範囲にあるθで、画像を表示する。
【００８９】
以下に、本実施形態の数値実施例を示す。ここで、数値実施例３では、図１２中における水平走査デバイス３の反射面３ｂが第１面になっており、さらに、図１０に示した反射面３ｂの軸３ｃが偏心量データの基準と一致している。また、数値実施例３は、導光光学系２を構成する入射口（透過面）２ａ，射出口（透過面）２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成した場合を示している。図１２中の各光学面と数値実施例３との対応は以下の通りである
図１２ 数値実施例３
透過面２ａ→第２面
反射面２ｂ→第３面
反射面２ｃ→第４面
反射面２ｄ→第５面
反射面２ｅ→第６面
反射面２ｆ→第７面
透過面２ｇ→第８面
また、図１２に示した垂直走査デバイス５の反射面５ｂは、数値実施例３では第９面としている。
＜＜数値実施例３＞＞
水平走査角 ±２１．９４度（光学角）
有効走査振幅割合 ０．８０
入射瞳径 １．００ｍｍ
面形状データ
第２面（回転対称非球面）
ｒ２ ＝ −９４７．８０４
ｋ ＝ −３７１９２４３１５３７６７１．１０２
ａ ＝ ０．０００００ｅ＋０００
ｂ ＝ ７．２７１０９ｅ−００４
第３面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．９７４３５ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．２４８４３ｅ−００２
Ｃ０３＝１．４１２７８ｅ−００３ Ｃ２１＝３．０９１６８ｅ−００３
Ｃ０４＝１．９８０９２ｅ−００４ Ｃ２２＝６．４６８２５ｅ−００４ Ｃ４０＝３．４９９７５ｅ−００４
第４面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．５４９９２ｅ−００２ Ｃ２０＝３．０２２９２ｅ−００２
Ｃ０３＝２．８９４８７ｅ−００３ Ｃ２１＝７．７９８９８ｅ−００３
Ｃ０４＝−２．５６０８１ｅ−００４ Ｃ２２＝−１．１２７６０ｅ−００３ Ｃ４０＝１．７７７９２ｅ−００３
第５面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．３７１８１ｅ−００２ Ｃ２０＝−１．２４９９８ｅ−００１
Ｃ０３＝１．２２２６０ｅ−００３ Ｃ２１＝２．２２３５３ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．２２８４３ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．３７５７９ｅ−００３ Ｃ４０＝−１．１５４９１ｅ−００１
第６面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．７９０１２ｅ−００２ Ｃ２０＝−６．０９３２３ｅ−００２
Ｃ０３＝３．３７２９５ｅ−００３ Ｃ２１＝−９．８３８７２ｅ−００４
Ｃ０４＝−９．０３６７６ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．７４９７０ｅ−００３ Ｃ４０＝−１．５５８４７ｅ−００２
第７面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−２．３３２４２ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．４６４２５ｅ−００２
Ｃ０３＝５．２３４６１ｅ−００５ Ｃ２１＝６．６１１６４ｅ−００４
Ｃ０４＝−３．０７８６２ｅ−００４ Ｃ２２＝−９．９９３９９ｅ−００４ Ｃ４０＝−１．０２９７５ｅ−００３
第８面（回転対称非球面）
ｒ８ ＝ ２０．４６９
ｋ ＝ −４４．０００
ａ ＝−３．３２７５６ｅ−００３
ｂ ＝−１．１８２３２ｅ−００５
図１３は、数値実施例３における横収差図である。光線の波長は５３２ｎｍである。但し、この波長は本実施形態の光学性能を示すためのものであり、光源４ａからの光線の波長がこの波長というわけではない。本実施形態において、水平走査デバイス３により光学的な最大走査角は、±２１．９６度であり、そのうちの ０．８０までのビーム径１．０ｍｍでの光学特性を示している。図１３より本実施形態の横収差特性が良好であることがわかる。また、この範囲において、共振動作する水平走査デバイス３の反射面３ｂの偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
であり、反射面３ｂに正弦的に動作する特性を持たせて、走査点の時間的な移動が等間隔になるように構成されている。このように構成することにより、光源４ａを変調する変調回路４ａ（図１参照）に対する負担を軽減することが可能となる。
【００９０】
さらに、図１２の光路図を見てわかるように、水平走査デバイス３の反射面３ｂと垂直走査デバイス５の反射面５ｂとが、導光光学系２によって実質的に共役な関係を持たされている。このため、垂直走査デバイス５の反射面５ｂを小型にすることができる。
【００９１】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、導光光学系２を、入射面２ａ（第２面）と射出面２ｇ（第８面）と反射面２ｂ〜２ｆ（第３面〜第７面）を表面に有する一体の透明体で構成した。このような構成にすると、導光光学系２を一体で作製することが可能となり、各面の位置精度を確保する上で有利であるとともに、導光光学系の小型化をも実現することができる。
【００９２】
透明体のうち反射面を構成する面には、銀やアルミニウムなどの薄膜を蒸着等によって形成して反射率を高めるのがよい。また、透明体を構成する材料としては、光学的に透明なガラスや樹脂材料を使用することができる。
【００９３】
なお、導光光学系２は、このように全体を１つの透明体上に構成しなくても、複数のミラーで構成したり、２つの以上の部分に分割した透明体を組み合わせて構成したりしてもよい。また、導光光学系の反射面の数は本実施形態のものに限られず、導光光学系内にレンズ等の屈折素子を入れてもよい。
【００９４】
さらに、上記第１〜第３実施形態においては、水平走査デバイス３および垂直走査デバイス５により２次元走査を行う小型の走査型画像表示装置について説明したが、特に走査光学系１０を上記各実施形態のように構成することで、共振型走査デバイスの走査の補償を行うことが可能となる。
【００９５】
また、上記第１〜第３実施形態においては、水平走査デバイス３から射出した光線をさらに垂直走査デバイス５により走査する場合について説明したが、垂直走査デバイス５の反射面を固定すれば、１次元の走査光学系として使用することができる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で、光源からの光の２次元走査により画像表示が可能な走査型表示光学系、走査型画像表示装置および走査型画像表示システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である走査型画像表示装置の構成図。
【図２】図１に示した走査型画像表示装置によるスクリーン上での光走査の様子を示す概略図。
【図３】図１に示した走査型画像表示装置の光学系の断面図。
【図４】図１に示した走査型画像表示装置の光学系の横収差図。
【図５】図１に示した走査型画像表示装置の変形例の構成図。
【図６】図１に示した走査型画像表示装置によりスクリーン上にて走査される走査線の概要図。
【図７】図１に示した走査型画像表示装置に用いられる光源光学系の構成例を示した概略図。
【図８】図１に示した走査型画像表示装置に用いられる走査型デバイスの構成を示す概略図。
【図９】図１に示した走査型画像表示装置の光学系を表すための座標系の説明図。
【図１０】本発明の第２実施形態である走査型画像表示装置の構成図。
【図１１】図１０に示した走査型画像表示装置の光学系の横収差図。
【図１２】本発明の第３実施形態である走査型画像表示装置の構成図。
【図１３】図１２に示した走査型画像表示装置の光学系の横収差図。
【符号の説明】
１ 走査型画像表示装置
２ 導光光学系
３ 水平走査デバイス
４ 光源光学系
４ａ，４ａｒ，４ａｂ，４ａｇ 光源
４ｂ 集光光学系
５ 垂直走査デバイス
６，１２ 水平走査方向（主走査方向）
７，１３ 垂直走査方向（副走査方向）
９ スクリーン
１０ 色合成素子
１１ 光学系
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を走査することによって画像を投射表示する走査型表示光学系、走査型画像表示装置および走査型画像表示システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型画像表示装置は、一般的に高い解像力を有するなどの特徴を備えており、これまで種々の構成が提案されている。
【０００３】
例えば、「光学技術コンタクトｖｏｌ．２１． Ｎｏ．６−７」（１９８３）に掲載されているレーザディスプレイがある。これはレーザビームを光変調器により変調し、それを高速で回転するポリゴンミラーとガルバノミラーで２次元に走査することで、高品位のテレビ画像を得るものである。また、同様の技術が特開２０００−１８０７５９号公報にも提案されている。
【０００４】
これらの画像表示装置は、多面体ミラー（ポリゴンミラー）を用いることで、高速の水平走査を実現している。より具体的には、水平走査速度を高速にするため面数の８面以上の反射面を有するポリゴンミラーを使用している。
【０００５】
一方、近年、半導体製造技術を利用した微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：以降ＭＥＭＳ）とよばれるデバイスが開発されている。
【０００６】
ＭＥＭＳ技術により作成された機械は、非常に小型・軽量であり、応答性が非常に速いといった特徴を有し、さまざま分野への応用が検討されている。特に、光学の分野へＭＥＭＳを応用したＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と称される分野への開発が盛んであり、ＭＥＭＳ技術を用いた走査デバイスなどが開発されている。
【０００７】
このような ＭＥＭＳ技術を利用した走査デバイスを用いた画像表示装置に関する技術は、特開２００１−２８１５８３号公報などに提案されている。この特開２００１−２８１５８３号公報には、光源から発せられた光を走査デバイスによって２次元方向に偏向して被投射面上を２次元走査する走査光学系が提案されており、ＭＥＭＳ技術等で作成された走査デバイスと回転非対称面を含む光学系とにより小型の走査光学系を実現している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
「光学技術コンタクトｖｏｌ．２１． Ｎｏ．６−７ （１９８３） 」に掲載されたレーザディスプレイ、あるいは特開２０００−１８０７５９号公報にて提案の走査光学系では、走査デバイスとして反射面を８面有するポリゴンミラーを使用している。これらは、高速走査は可能であるものの、１つの光学素子としての反射面数が多いため、走査デバイスとして大型化しやすい。
【０００９】
また、特開２００１−２８１５８３号公報では、同公報の図３に示されるような走査デバイスを用いている。すなわち、反射面を２つの軸３１，３３を中心に揺動させることで光を走査する。しかしながら、１つの反射面で２軸方向の走査を行うために、走査デバイスの構造が複雑化したりデバイスが大型化したりしてしまう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の走査型表示光学系は、光源と、この光源からの光を第１の方向に走査する第１の走査手段と、第１の走査手段からの光を第１の方向とは異なる第２の方向に走査する走査手段とを設け、第１の走査手段と第２の走査手段との間に、第１の走査手段からの光を第２の走査手段に導く、少なくとも１つの反射面を含む光学系を設け、以下この光学系を導光光学系と呼ぶことにする。
【００１１】
このように第１の走査手段と第２の走査手段との間に光路を折り畳む反射面を含む導光光学系を設けることにより、両走査手段の配置自由度を高めるとともに、コンパクトな走査型表示光学系、さらには走査型画像表示装置を実現する。
【００１２】
ここで、導光光学系を、回転非対称形状の反射面を含む構成とするとよい。回転対称軸を有さない非共軸光学系は、その光学的な近軸量の算出、収差補正に関する研究が近年活発に行われ、特開平９−５６５０号公報や、「 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ （１），（２）」（ＯＰＴＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ｖｏｌ．７，Ｎｏ．３，４ （２０００）等に掲載されている。
【００１３】
本発明においても、導光光学系が回転対称軸を有さない回転非対称形状の反射面を有することにより、走査手段によって発生する像の歪みを補正することが可能となる。
【００１４】
さらに、第１の走査手段と第２の走査手段の間にある導光光学系により、これら第１および第２の走査手段の光学面を実質的な共役関係とすることにより、第１および第２の走査手段の光学面（反射面）の面積を小さくすることが可能となり、走査型表示光学系および画像表示装置全体を小型にすることが可能となる。
【００１５】
さらに、第１の走査手段の光の偏向角が、時間に対して正弦波的に変化するようにすることにより、半導体プロセス等で作製されたミラーを用いて、高速動作が可能となる。特に、機械的な共振作用を利用してこのミラーを動作させると、高速動作に加えて、光の偏向角を大きくすることが可能となる。よって、走査型表示光学系および画像表示装置全体を小型にすることができる。
【００１６】
また、第１〜第２の走査手段からなる走査光学系中で、導光光学系の光路中で光を結像させることで、第１の走査手段の光の偏向特性を補正するような歪曲収差を発生させ、これによって正弦波的に変化するミラーの動きを補償することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明する前に、各実施形態の表記に共通する事項についてここで説明する。
【００１８】
各実施形態の光学系は回転対称軸を有さない非共軸光学系である。そこで、回転対称軸に相当する基準軸を定義する。また、絶対空間における座標系の原点を本実施形態においては第１面の中心に設定する。被走査面（最終像面）の中心と第１面の中心とを通り、物体面に対して垂直になる光線を基準軸光線とし、この基準軸光線がたどる光路を基準軸と定義する。この基準軸は向きを有し、その向きは、基準軸光線が結像するために進行する向きである。
【００１９】
なお、本実施形態においては、基準軸を上記のように設定したが、これは光学系を表現しやすいように設定した一例である。したがって、座標軸の設定の仕方を変えると、光学系の表記の仕方も変わる。但し、上記のように設定した場合に同様の表記になれば同様の効果が得られるため、その表記方法は限定しない。
【００２０】
本実施形態においては、絶対座標系である第１面の中心を通り、被走査面（最終像面）の中心に至る基準軸光線が、各屈折面および反射面などの光学面によって屈折および反射作用を受けながらたどる経路を基準軸とし、屈折あるいは反射作用を受ける順番に第ｉ面という形で光学面を表記する。
【００２１】
また本実施形態の光学系を構成する各光学面は他の光学面に対してチルトしており、そのチルト量については以下のような手順で表記する。
【００２２】
絶対座標系における３次元の座標軸をＺ軸，Ｙ軸，Ｘ軸としたとき、
Ｚ軸：第０面（物体面）の中心から第１面の中心（絶対座標系の原点）を通る直線であり、この方向が正
Ｙ軸：第１面の中心（絶対座標系の原点）を通り、Ｚ軸に対して反時計回り方向に９０度（ｄｅｇｒｅｅ）をなす直線
Ｚ軸：上記原点を通り、Ｚ軸およびＹ軸に垂直な直線
とする。
【００２３】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状の表記については、基準軸と第ｉ面とが交差する点を原点とするローカル座標系を設定し、そのローカル座標系に基づいた関数により表現する。第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は、絶対座標系のＺ軸に対して、反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位はｄｅｇｒｅｅ）で表す。
【００２４】
本実施形態では、チルト角をＹＺ面内でのみに設定している。第ｉ面のローカル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は、絶対座標系のＹＺ面内にあり、ＹＺ面内で角度θｉ傾いている。３次元の座標軸をｚ軸，ｙ軸，ｘ軸としたとき、
ｚ軸：ローカル座標系の原点を通り、絶対座標系のＺ軸に対してＹＺ面内において反時計回り方向にθｉをなす直線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に９０度（ｄｅｇｒｅｅ）をなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線
とする。
【００２５】
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との原点間隔、Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ第ｉ面と第（ｉ＋１）面の間のｄ線の屈折率とアッベ数を表している。
【００２６】
さらに、本実施形態で使用されている回転対称軸を有さない回転非対称面の形状は以下の関数式で表現する。
【００２７】
【数１】
この関数は、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）により面形状を定義する関数である。
【００２９】
また、同関数式において、ローカル座標系でｘの奇数次に関する項を０とすることにより、ｙｚ平面に対して対称な面を得ることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態では、すべての光学面のうちの一部に回転対称性を有する回転対称非球面を用いており、その形状を、
【００３１】
【数２】
として表現する。
【００３３】
ここで、
ｈ２＝ｘ２＋ｙ２
である。この回転対称非球面に関しても、各ローカル座標系により定義する。
【００３４】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である走査型表示光学系を有する走査型画像表示装置の構成の概要を示している。
【００３５】
図１において、１は本実施形態の走査型画像表示装置であり、４は光源光学系、１０は走査光学系である。光源光学系４および走査光学系１０により走査型表示光学系が構成される。
【００３６】
走査光学系１０は、水平方向走査デバイス（第１の走査手段）３と、垂直方向走査デバイス（第２の走査手段）５と、反射面２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを含む導光光学系２とを有して構成されている。
【００３７】
光源光学系４は、変調可能な半導体レーザ等の光源４ａと集光光学系４ｂとを有する。光源４ａには、変調回路４ｃが接続されており、変調回路４ｃには、パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオプレーヤー、ＤＶＤプレーヤー等の画像情報供給装置３０が接続されている。変調回路４ｃは、画像情報供給装置３０から入力された画像情報に応じて光源４ａを変調動作させる。
【００３８】
光源４ａから発せられた変調光は、光学系４ｂに入射してコリメートされる。コリメートされた変調光は、水平走査デバイス３に入射する。
【００３９】
水平走査デバイス３は、回転軸３ａを軸として反射面３ｂが揺動し、入射した光を反射偏向して水平方向に走査するように構成されている。
【００４０】
水平走査デバイス３により反射偏向された変調光は、導光光学系２に入射する。導光光学系２は、入射口２ａと射出口２ｇとを有し、その間に回転対称軸を持たない（すなわち、回転非対称形状を有する）反射面２ｂ〜２ｆが配置されている。導光光学系２に入射口２ａを通って入射した光は、反射面２ｂ〜２ｆで順次反射しながら射出口２ｂまで進み、射出口２ｂから射出する。なお、本実施形態では、入射口２ａ，射出口２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成してもよいし、各反射面２ｂ〜２ｆを個別のミラーによって構成してもよい。
【００４１】
導光光学系２から射出した光は、垂直走査デバイス（第２の走査手段）５に入射する。垂直走査デバイス５は、回転軸５ａを中心に反射面５ｂが揺動し、入射した光を反射偏向して、水平走査デバイス３の光走査方向と直交する垂直方向に走査するように構成されている。
【００４２】
そして、上記水平走査デバイス３および垂直走査デバイス５による水平方向および垂直方向の走査作用によって、光源４ａからの光ビームを２次元に走査することが可能であり、光源４ａの変調と走査デバイス３，５の動作とを同期させることによって、ラスタースキャン等を行い、不図示のスクリーン等の被投射面（被走査面）に画像を投射表示することができる。図１には、被投射面に向かう方向を矢印８で示している。
【００４３】
以下に本実施形態の画像表示装置１の光学系のさらに詳しい構成を説明する。図２は、上記画像表示装置の水平走査方向（主走査方向）の断面である。図２では、図１で示した垂直走査デバイス５から射出した光線の光路がよくわかるように水平走査の１サイクル分をまとめて示している。なお、図２では光源光学系４を省略しており、水平走査デバイス３によって水平方向に偏向される光線の光路を示している。
【００４４】
水平走査デバイス３および垂直走査デバイス５で偏向され、走査光学系１０から射出した光線は、スクリーン９上を走査する。
【００４５】
図中の９ａ〜９ｅはスクリーン９上での走査点の例を表しており、水平走査デバイス３による光の偏向作用の進行に伴って、走査点が９ｅ→９ｄ→９ａ→９ｂ→９ｃのように動いていく。
【００４６】
図３には、本実施形態の画像表示装置１の光学系の詳細を示す。図３も、水平走査方向の断面を示している。図３では、図１に示した光源４ａからの光線（光学系４ｂによってコリメートされた光線）が水平走査デバイス３によって偏向されたあとの光路を示している。但し、垂直走査デバイス５に入射し、図２に示したスクリーン９に進む光線についてはその光路を展開して示している。実際には、図１に示したように、図３の紙面垂直方向に光路が折り返される。
【００４７】
ここで、本実施形態で用いられている水平走査デバイス３は、反射面３ｂの振れ角が１１．７度の共振走査型デバイスである。
【００４８】
走査型デバイスである水平走査デバイス３は、例えば図８に示す構成を有する。走査型デバイスは、半導体プロセス等によって作成された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）であり、反射面（水平走査面）３ｂと、この反射面３ｂの揺動中心となる軸３ａとを有している。反射面３ｂは、梁部３ｅによってベース部３ｄと結合されていおり、これらの構造から機械的な共振周波数が設定されている。
【００４９】
外部から周期的な力を作用させることによって、反射面３ｂを軸３ａに対して傾けることが可能となる。この反射面３ｂの傾きによって、入射した光を偏向させることが可能となる。この外部からの力は、電磁力、静電気力などの力が利用することが可能である。
【００５０】
反射面３ｂの最大振幅をΦｍａｘ とすると、偏向角はその２倍となるので、偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
と表される。
【００５１】
ここで、ωは水平走査デバイス３の角振動数、ｔは時間を表している。
【００５２】
本実施形態では、θｍａｘ＝１１．７度である。このような共振型の走査デバイスは、上記式から理解できるように、最大振幅となった状態で走査速度が０になる。このため、最大振幅に対する有効な振幅（有効振幅θｅｆｆ ）の割合を設定する必要があり、本実施形態では０．７５である。
【００５３】
つまり、
θｅｆｆ ＝ ０．７５ Φ
であり、θ＜θｅｆｆ の範囲にあるθで、画像を表示する。
【００５４】
以下に、本実施形態の数値実施例を示す。ここで、数値実施例１では、図３中における水平走査デバイス３の反射面３ｂが第１面になっており、さらに、図３に示した反射面３ｂの軸３ｃが偏心量データの基準と一致している。また、数値実施例１は、導光光学系２を構成する入射口（透過面）２ａ，射出口（透過面）２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成した場合を示している。図３中の各光学面と数値実施例１との対応は以下の通りである
図３ 数値実施例１
透過面２ａ→第２面
反射面２ｂ→第３面
反射面２ｃ→第４面
反射面２ｄ→第５面
反射面２ｅ→第６面
反射面２ｆ→第７面
透過面２ｇ→第８面
また、図３に示した垂直走査デバイス５は、水平走査デバイス３と同様の構成を有し、その反射面（垂直走査面）５ｂは、数値実施例１では第９面としている。
＜＜数値実施例１＞＞
水平走査角 ±２３．４度（光学角）
有効走査振幅割合 ０．７５
入射瞳径 １．０ｍｍ
【００５５】
面形状データ
第２面（回転対称非球面）
ｒ２ ＝２５４５．１０５
ｋ ＝２９６２４３６．４２２
ａ ＝０．０００００ｅ＋０００
ｂ ＝８．７３８６２ｅ−００４
第３面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．９９６３５ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．１６７７７ｅ−００２
Ｃ０３＝１．４０３７２ｅ−００３ Ｃ２１＝３．２２２１７ｅ−００３
Ｃ０４＝２．１３６６３ｅ−００４ Ｃ２２＝７．１９６３４ｅ−００４ Ｃ４０＝３．８１６３８ｅ−００４
第４面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．５８８０９ｅ−００２ Ｃ２０＝３．４６７７３ｅ−００２
Ｃ０３＝２．９４３１２ｅ−００３ Ｃ２１＝７．９５１１３ｅ−００３
Ｃ０４＝−３．０４５５７ｅ−００４ Ｃ２２＝−９．０７１６５ｅ−００４ Ｃ４０＝２．０５１２６ｅ−００３
第５面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．３９２８４ｅ−００２ Ｃ２０＝−１．４２９２２ｅ−００１
Ｃ０３＝１．２２２４１ｅ−００３ Ｃ２１＝３．０１６１９ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．４２７１４ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．６５０８７ｅ−００３ Ｃ４０＝−３．７９８４６ｅ−００２
第６面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．７８１８８ｅ−００２ Ｃ２０＝−８．３３９１９ｅ−００２
Ｃ０３＝３．６４４９４ｅ−００３ Ｃ２１＝９．８２７８６ｅ−００４
Ｃ０４＝−１．０９６２１ｅ−００３ Ｃ２２＝−８．３１３９３ｅ−００３ Ｃ４０＝３．５０８５７ｅ−００３
第７面（回転非称面）
Ｃ０２＝−２．１８１３６ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．４３３３５ｅ−００２
Ｃ０３＝６．５４２２２ｅ−００５ Ｃ２１＝１．１５５５９ｅ−００３
Ｃ０４＝−４．０４４５０ｅ−００４ Ｃ２２＝−１．３４１２７ｅ−００３ Ｃ４０＝−８．５９８５２ｅ−００４
第８面（回転対称非球面）
ｒ８＝ １５．４５８
ｋ ＝ １４．０６６
ａ ＝−４．８９１６０ｅ−００３
ｂ ＝−１．１４５１０ｅ−００４
上記偏心量データと面形状データは、図９に示した座標系上でのデータである。なお、これ以降に説明する数値実施例に関しても同様である。
【００５６】
図４は、数値実施例１における図３に示した面内における横収差図である。光線の波長は５３２ｎｍである。但し、この波長は本実施形態の光学性能を示すためのものであり、光源４ａからの光線の波長がこの波長というわけではない。本実施形態において、水平走査デバイス３により光学的な最大走査角は、±２３．４度であり、そのうちの０．７５（±１７．５度）までのビーム径１．０ｍｍでの光学特性を示している。図４より本実施形態の横収差特性が良好であることがわかる。また、この範囲において、共振動作する水平走査デバイス３の反射面３ｂの偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
であり、反射面３ｂに正弦的に動作する特性を持たせて、走査点の時間的な移動が等間隔になるように構成されている。このように構成することにより、光源４ａを変調する、図１に示した変調回路４ａに対する負担を軽減することが可能となる。
【００５７】
さらに、図３の光路図を見てわかるように、水平走査デバイス３の反射面３ｂと垂直走査デバイス５の反射面５ｂとが、導光光学系２によって実質的に共役な関係を持たされている。このため、垂直走査デバイス５の反射面５ｂを小型にすることができる。
【００５８】
図５は、水平走査デバイス３で水平方向に走査され、導光光学系２を介して垂直走査デバイス５により垂直方向に走査された光線が光学系１１を介してスクリーン（図２参照）に投射される場合の概要を示した図である。図５中において、矢印６は水平走査方向を、矢印７は垂直走査方向を表している。光学系１１は、両側が平面であるガラスである。
【００５９】
光学系１１は、走査光学手段３，５および走査光学系２を保護する役割を持たすことができる。さらに、この光学系１１を非球面等にすることにより光学性能を向上させることが可能となる。
【００６０】
図６は、本実施形態の投射型画像表示装置１によって走査された２次元画像の表示例を示しており、水平走査方向は図中に矢印１２で、垂直方向は矢印１３で示している。
【００６１】
この図から分かるように、走査光学系の構成によって画面の中心と画面の上側、あるいは下側の水平走査方向（主走査方向）において歪が発生する。この歪に関しては、光源４ａの変調信号あるいは水平走査デバイス３の振れ角などを調節することで補正することが可能である。また、図５における光学系１１によりその補正をすることも可能である。
【００６２】
図７（ａ）〜（ｃ）には、図１において簡略化して示した光源光学系４の具体的構成例を示している。いずれの構成例においても、光源４ａからの光線が光学系４ｂで平行化され、水平走査デバイス３に入射するように構成されている。
【００６３】
また、図７（ａ）〜（ｃ）には、水平走査デバイス３により走査された光線の光路も併せて示しており、走査された光線は導光光学系２に入射する。
【００６４】
光源光学系４は、光源４ａからの光線を図７（ａ）に示すように反射を介さずに水平走査デバイス３に入射させる以外に、図７（ｂ）に示すように光学系４ｂ内に反射面を配置して構成してもよい。これにより光源４ａの配置自由度が増える。
【００６５】
さらに、図１および図７（ａ），（ｂ）では、光源４ａが１つの場合を示したが、図７（ｃ）に示すように、赤，青，緑の色光を発する光源４ａｒ，４ａｂ，４ａｇを設け、これら光源４ａｒ，４ａｂ，４ａｇからの色光をダイクロイックプリズムなどの色合成素子４ｄによって合成して水平走査デバイス３に入射させるようにしてもよい。
【００６６】
また、本実施形態においては、光源４ａとして、直接変調可能な光源を示した。例えば、半導体レーザ、ＬＥＤなどの光源が利用でできる。また、半導体レーザを利用した波長変換レーザを用いたり、あるいは、固体レーザなどの光源を連続発光させ、その光束を光変調器によって変調させる方式であっても同様の効果が得られる。
【００６７】
本実施形態においては、前述したように、走査光学系１０のうち導光光学系２を、入射面２ａ（第２面）と射出面２ｇ（第８面）と反射面２ｂ〜２ｆ（第３面〜第７面）を表面に有する一体の透明体で構成した。このような構成にすると、導光光学系２を一体で作製することが可能となり、各面の位置精度を確保する上で有利であるとともに、導光光学系の小型化をも実現することができる。
【００６８】
透明体のうち反射面を構成する面には、銀やアルミニウムなどの薄膜を蒸着等によって形成して反射率を高めるのがよい。また、透明体を構成する材料としては、光学的に透明なガラスや樹脂材料を使用することができる。
【００６９】
なお、導光光学系２は、このように全体を１つの透明体上に構成しなくても、複数のミラーで構成したり、２つの以上の部分に分割した透明体を組み合わせて構成したりしてもよい。また、導光光学系の反射面の数は本実施形態のものに限られず、導光光学系内にレンズ等の屈折素子を入れてもよい。
【００７０】
（第２実施形態）
図１０には、本発明の第２実施形態である走査型表示光学系を有する走査型画像表示装置の構成を示している。本実施形態において、第１実施形態中の構成要素に対応する構成要素には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。
【００７１】
図１０には、光源４ａ（図１参照）から発せられて光学系４ｂ（図１参照）によってコリメートされた光線が、水平走査デバイス３によって偏向されたあとの光路を示している。但し、垂直走査デバイス５に入射し、スクリーン（図２参照）に進む光線についてはその光路を展開して示している。実際には、図１０の紙面垂直方向に光路が折り返される。
【００７２】
本実施形態において、水平走査デバイス３は、振れ角１１．７度の共振走査型デバイスであり、図８に示したものと同様の構成を有する。
【００７３】
また、反射面３ｂの最大振幅をΦｍａｘとすると、偏向角はその２倍となるので、偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
と表される。
【００７４】
ここで、ωは水平走査デバイス３の角振動数、ｔは時間を表している。
【００７５】
本実施形態では、θｍａｘ＝１１．７度である。このような共振型の走査デバイスは、上記式から理解できるように、最大振幅となった状態で走査速度が０になる。このため、最大振幅に対する有効な振幅（有効振幅θｅｆｆ ）の割合を設定する必要があり、本実施形態では０．７５である。
【００７６】
つまり、
θｅｆｆ ＝ ０．７５ Φ
であり、θ＜θｅｆｆ の範囲にあるθで、画像を表示する。
【００７７】
以下に、本実施形態の数値実施例を示す。ここで、数値実施例２では、図１０中における水平走査デバイス３の反射面３ｂが第１面になっており、さらに、図１０に示した反射面３ｂの軸３ｃが偏心量データの基準と一致している。また、数値実施例２は、導光光学系２を構成する入射口（透過面）２ａ，射出口（透過面）２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成した場合を示している。図１０中の各光学面と数値実施例２との対応は以下の通りである
図１０ 数値実施例２
透過面２ａ→第２面
反射面２ｂ→第３面
反射面２ｃ→第４面
反射面２ｄ→第５面
反射面２ｅ→第６面
反射面２ｆ→第７面
透過面２ｇ→第８面
また、図１０に示した垂直走査デバイス５の反射面５ｂは、数値実施例２では第９面としている。
＜＜数値実施例２＞＞
水平走査角 ±２３．４度（光学角）
有効走査振幅割合 ０．７５
入射瞳径 ０．９０
第２面（回転対称非球面）
ｒ ２＝５０３１．４９７
ｋ ＝１２４５３０８９．６０７
ａ ＝０．０００００ｅ＋０００
ｂ ＝８．８８０５９ｅ−００４
第３面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．９９２２０ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．１１９４０ｅ−００２
Ｃ０３＝１．４５８１２ｅ−００３ Ｃ２１＝３．５５２８２ｅ−００３
Ｃ０４＝２．１９７４７ｅ−００４ Ｃ２２＝７．８６６５９ｅ−００４ Ｃ４０＝３．４１０１４ｅ−００４
Ｃ０５＝−８．０６２４６ｅ−００７ Ｃ２３＝６．９１７０５ｅ−００７ Ｃ４１＝−１．２２４８０ｅ−００５
Ｃ０６＝２．５４８１９ｅ−００７ Ｃ２４＝８．６４４９４ｅ−００７ Ｃ４２＝１．３４９４５ｅ−００５
Ｃ６０＝−４．５６９６９ｅ−００５
第４面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．５８５４２ｅ−００２ Ｃ２０＝３．７３７８４ｅ−００２
Ｃ０３＝３．０５３０２ｅ−００３ Ｃ２１＝８．２８８９７ｅ−００３
Ｃ０４＝−３．１３１８０ｅ−００４ Ｃ２２＝−９．３４３８８ｅ−００４ Ｃ４０＝２．８６２４３ｅ−００４
Ｃ０５＝−９．３１８７４ｅ−００８ Ｃ２３＝−１．０５７２２ｅ−００６ Ｃ４１＝−９．３５０４２ｅ−００７
Ｃ０６＝−６．０８２６５ｅ−００８ Ｃ２４＝−１．２８６００ｅ−００７ Ｃ４２＝１．１０１１５ｅ−００５
Ｃ６０＝−３．２７０９９ｅ−００４
第５面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．３８５７０ｅ−００２ Ｃ２０＝−１．３６０４７ｅ−００１
Ｃ０３＝１．２５９２１ｅ−００３ Ｃ２１＝２．４００２９ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．４７７０２ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．５４７７６ｅ−００３ Ｃ４０＝−８．８５８７９ｅ−００２
Ｃ０５＝１．２４０９９ｅ−００７ Ｃ２３＝３．８０００８ｅ−００７ Ｃ４１＝１．″８５２１ｅ−００４
Ｃ０６＝−２．２５８６２ｅ−００８ Ｃ２４＝−１．０２８７６ｅ−００６ Ｃ４２＝９．９４９８３ｅ−００５
Ｃ６０＝３．２８８１７ｅ−００６
第６面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．７７３２９ｅ−００２ Ｃ２０＝−７．５３７６８ｅ−００２
Ｃ０３＝３．９４９２９ｅ−００３ Ｃ２１＝１．８１００５ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．２０９８６ｅ−００３ Ｃ２２＝−８．３２２９１ｅ−００３ Ｃ４０＝−２．０１９３５ｅ−００２
Ｃ０５＝３．０３２３９ｅ−００６ Ｃ２３＝１．２６４７６ｅ−００５ Ｃ４１＝−５．８３９０２ｅ−００３
Ｃ０６＝２．２５９９５ｅ−０１１ Ｃ２４＝−２．１７４７４ｅ−００７ Ｃ４２＝５．２７６５７ｅ−００５
Ｃ６０＝−５．０３５５８ｅ−００２
第７面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−２．１８３５１ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．３６１２２ｅ−００２
Ｃ０３＝８．２８１６５ｅ−００５ Ｃ２１＝１．２３９９２ｅ−００３
Ｃ０４＝−４．１９５０２ｅ−００４ Ｃ２２＝−１．３９３２８ｅ−００３ Ｃ４０＝−１．２６４２８ｅ−００３
Ｃ０５＝５．７０２２８ｅ−００７ Ｃ２３＝７．９６０８０ｅ−００８ Ｃ４１＝１．２７０１８ｅ−００５
Ｃ０６＝−９．５７９２１ｅ−００９ Ｃ２４＝１．４４５９２ｅ−００６ Ｃ４２＝−１．９６５７４ｅ−００５
Ｃ６０＝６．３３７４８ｅ−００５
第８面（回転非対称面）
ｒ８＝ １５．４２４
ｋ ＝ ６．７９３
ａ ＝−４．７７１９０ｅ−００３
ｂ ＝−１．１５８４５ｅ−００４
図１１は、数値実施例２における横収差図である。光線の波長は５３２ｎｍである。但し、この波長は本実施形態の光学性能を示すためのものであり、光源４ａからの光線の波長がこの波長というわけではない。本実施形態において、水平走査デバイス３により光学的な最大走査角は、±２３．４度であり、そのうちの０．７５（±１７．５度）までのビーム径０．９ｍｍでの光学特性を示している。図１１より本実施形態の横収差特性が良好であることがわかる。また、この範囲において、共振動作する水平走査デバイス３の反射面３ｂの偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
であり、反射面３ｂに正弦的に動作する特性を持たせて、走査点の時間的な移動が等間隔になるように構成されている。このように構成することにより、光源４ａを変調する変調回路４ａ（図１参照）に対する負担を軽減することが可能となる。
【００７８】
さらに、図１０の光路図を見てわかるように、水平走査デバイス３の反射面３ｂと垂直走査デバイス５の反射面５ｂとが、導光光学系２によって実質的に共役な関係を持たされている。このため、垂直走査デバイス５の反射面５ｂを小型にすることができる。
【００７９】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、導光光学系２を、入射面２ａ（第２面）と射出面２ｇ（第８面）と反射面２ｂ〜２ｆ（第３面〜第７面）を表面に有する一体の透明体で構成した。このような構成にすると、導光光学系２を一体で作製することが可能となり、各面の位置精度を確保する上で有利であるとともに、導光光学系の小型化をも実現することができる。
【００８０】
透明体のうち反射面を構成する面には、銀やアルミニウムなどの薄膜を蒸着等によって形成して反射率を高めるのがよい。また、透明体を構成する材料としては、光学的に透明なガラスや樹脂材料を使用することができる。
【００８１】
なお、導光光学系２は、このように全体を１つの透明体上に構成しなくても、複数のミラーで構成したり、２つ以上の部分に分割した透明体を組み合わせて構成したりしてもよい。また、導光光学系の反射面の数は本実施形態のものに限られず、導光光学系内にレンズ等の屈折素子を入れてもよい。
【００８２】
（第３実施形態）
図１２には、本発明の第３実施形態である走査型表示光学系を有する走査型画像表示装置の構成を示している。本実施形態において、第１実施形態中の構成要素に対応する構成要素には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。
【００８３】
図１２には、光源４ａ（図１参照）から発せられて集光光学系４ｂ（図１参照）によってコリメートされた光線が、水平走査デバイス３によって偏向されたあとの光路を示している。但し、垂直走査デバイス５に入射し、スクリーン（図２参照）に進む光線についてはその光路を展開して示している。実際には、図１２の紙面垂直方向に光路が折り返される。
【００８４】
本実施形態において、水平走査デバイス３は、振れ角１０．９６度の共振走査型デバイスであり、図８に示したものと同様の構成を有する。
【００８５】
また、反射面３ｂの最大振幅をΦｍａｘとすると、偏向角はその２倍となるので、偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
と表される。
【００８６】
ここで、ωは水平走査デバイス３の角振動数、ｔは時間を表している。
【００８７】
本実施形態では、θｍａｘ＝１０．９６度である。このような共振型の走査デバイスは、上記式から理解できるように、最大振幅となった状態で走査速度が０になる。このため、最大振幅に対する有効な振幅（有効振幅θｅｆｆ ）の割合を設定する必要があり、本実施形態では０．８０である。
【００８８】
つまり、
θｅｆｆ ＝ ０．８０ Φ
であり、θ＜θｅｆｆ の範囲にあるθで、画像を表示する。
【００８９】
以下に、本実施形態の数値実施例を示す。ここで、数値実施例３では、図１２中における水平走査デバイス３の反射面３ｂが第１面になっており、さらに、図１０に示した反射面３ｂの軸３ｃが偏心量データの基準と一致している。また、数値実施例３は、導光光学系２を構成する入射口（透過面）２ａ，射出口（透過面）２ｇおよび反射面２ｂ〜２ｆを一体の透明体の表面に形成した場合を示している。図１２中の各光学面と数値実施例３との対応は以下の通りである
図１２ 数値実施例３
透過面２ａ→第２面
反射面２ｂ→第３面
反射面２ｃ→第４面
反射面２ｄ→第５面
反射面２ｅ→第６面
反射面２ｆ→第７面
透過面２ｇ→第８面
また、図１２に示した垂直走査デバイス５の反射面５ｂは、数値実施例３では第９面としている。
＜＜数値実施例３＞＞
水平走査角 ±２１．９４度（光学角）
有効走査振幅割合 ０．８０
入射瞳径 １．００ｍｍ
第２面（回転対称非球面）
ｒ２ ＝ −９４７．８０４
ｋ ＝ −３７１９２４３１５３７６７１．１０２
ａ ＝ ０．０００００ｅ＋０００
ｂ ＝ ７．２７１０９ｅ−００４
第３面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．９７４３５ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．２４８４３ｅ−００２
Ｃ０３＝１．４１２７８ｅ−００３ Ｃ２１＝３．０９１６８ｅ−００３
Ｃ０４＝１．９８０９２ｅ−００４ Ｃ２２＝６．４６８２５ｅ−００４ Ｃ４０＝３．４９９７５ｅ−００４
第４面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−１．５４９９２ｅ−００２ Ｃ２０＝３．０２２９２ｅ−００２
Ｃ０３＝２．８９４８７ｅ−００３ Ｃ２１＝７．７９８９８ｅ−００３
Ｃ０４＝−２．５６０８１ｅ−００４ Ｃ２２＝−１．１２７６０ｅ−００３ Ｃ４０＝１．７７７９２ｅ−００３
第５面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．３７１８１ｅ−００２ Ｃ２０＝−１．２４９９８ｅ−００１
Ｃ０３＝１．２２２６０ｅ−００３ Ｃ２１＝２．２２３５３ｅ−００３
Ｃ０４＝−１．２２８４３ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．３７５７９ｅ−００３ Ｃ４０＝−１．１５４９１ｅ−００１
第６面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−３．７９０１２ｅ−００２ Ｃ２０＝−６．０９３２３ｅ−００２
Ｃ０３＝３．３７２９５ｅ−００３ Ｃ２１＝−９．８３８７２ｅ−００４
Ｃ０４＝−９．０３６７６ｅ−００４ Ｃ２２＝−３．７４９７０ｅ−００３ Ｃ４０＝−１．５５８４７ｅ−００２
第７面（回転非対称面）
Ｃ０２＝−２．３３２４２ｅ−００２ Ｃ２０＝−２．４６４２５ｅ−００２
Ｃ０３＝５．２３４６１ｅ−００５ Ｃ２１＝６．６１１６４ｅ−００４
Ｃ０４＝−３．０７８６２ｅ−００４ Ｃ２２＝−９．９９３９９ｅ−００４ Ｃ４０＝−１．０２９７５ｅ−００３
第８面（回転対称非球面）
ｒ８ ＝ ２０．４６９
ｋ ＝ −４４．０００
ａ ＝−３．３２７５６ｅ−００３
ｂ ＝−１．１８２３２ｅ−００５
図１３は、数値実施例３における横収差図である。光線の波長は５３２ｎｍである。但し、この波長は本実施形態の光学性能を示すためのものであり、光源４ａからの光線の波長がこの波長というわけではない。本実施形態において、水平走査デバイス３により光学的な最大走査角は、±２１．９６度であり、そのうちの ０．８０までのビーム径１．０ｍｍでの光学特性を示している。図１３より本実施形態の横収差特性が良好であることがわかる。また、この範囲において、共振動作する水平走査デバイス３の反射面３ｂの偏向角θは、
θ＝２Φｍａｘ・ｓｉｎ（ωｔ）
であり、反射面３ｂに正弦的に動作する特性を持たせて、走査点の時間的な移動が等間隔になるように構成されている。このように構成することにより、光源４ａを変調する変調回路４ａ（図１参照）に対する負担を軽減することが可能となる。
【００９０】
さらに、図１２の光路図を見てわかるように、水平走査デバイス３の反射面３ｂと垂直走査デバイス５の反射面５ｂとが、導光光学系２によって実質的に共役な関係を持たされている。このため、垂直走査デバイス５の反射面５ｂを小型にすることができる。
【００９１】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、導光光学系２を、入射面２ａ（第２面）と射出面２ｇ（第８面）と反射面２ｂ〜２ｆ（第３面〜第７面）を表面に有する一体の透明体で構成した。このような構成にすると、導光光学系２を一体で作製することが可能となり、各面の位置精度を確保する上で有利であるとともに、導光光学系の小型化をも実現することができる。
【００９２】
透明体のうち反射面を構成する面には、銀やアルミニウムなどの薄膜を蒸着等によって形成して反射率を高めるのがよい。また、透明体を構成する材料としては、光学的に透明なガラスや樹脂材料を使用することができる。
【００９３】
なお、導光光学系２は、このように全体を１つの透明体上に構成しなくても、複数のミラーで構成したり、２つの以上の部分に分割した透明体を組み合わせて構成したりしてもよい。また、導光光学系の反射面の数は本実施形態のものに限られず、導光光学系内にレンズ等の屈折素子を入れてもよい。
【００９４】
さらに、上記第１〜第３実施形態においては、水平走査デバイス３および垂直走査デバイス５により２次元走査を行う小型の走査型画像表示装置について説明したが、特に走査光学系１０を上記各実施形態のように構成することで、共振型走査デバイスの走査の補償を行うことが可能となる。
【００９５】
また、上記第１〜第３実施形態においては、水平走査デバイス３から射出した光線をさらに垂直走査デバイス５により走査する場合について説明したが、垂直走査デバイス５の反射面を固定すれば、１次元の走査光学系として使用することができる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で、光源からの光の２次元走査により画像表示が可能な走査型表示光学系、走査型画像表示装置および走査型画像表示システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である走査型画像表示装置の構成図。
【図２】図１に示した走査型画像表示装置によるスクリーン上での光走査の様子を示す概略図。
【図３】図１に示した走査型画像表示装置の光学系の断面図。
【図４】図１に示した走査型画像表示装置の光学系の横収差図。
【図５】図１に示した走査型画像表示装置の変形例の構成図。
【図６】図１に示した走査型画像表示装置によりスクリーン上にて走査される走査線の概要図。
【図７】図１に示した走査型画像表示装置に用いられる光源光学系の構成例を示した概略図。
【図８】図１に示した走査型画像表示装置に用いられる走査型デバイスの構成を示す概略図。
【図９】図１に示した走査型画像表示装置の光学系を表すための座標系の説明図。
【図１０】本発明の第２実施形態である走査型画像表示装置の構成図。
【図１１】図１０に示した走査型画像表示装置の光学系の横収差図。
【図１２】本発明の第３実施形態である走査型画像表示装置の構成図。
【図１３】図１２に示した走査型画像表示装置の光学系の横収差図。
【符号の説明】
１ 走査型画像表示装置
２ 導光光学系
３ 水平走査デバイス
４ 光源光学系
４ａ，４ａｒ，４ａｂ，４ａｇ 光源
４ｂ 集光光学系
５ 垂直走査デバイス
６，１２ 水平走査方向（主走査方向）
７，１３ 垂直走査方向（副走査方向）
９ スクリーン
１０ 色合成素子
１１ 光学系
Claims (8)
- 光源と、
この光源からの光を第１の方向に走査する第１の走査手段と、
前記第１の走査手段からの光を前記第１の方向とは異なる第２の方向に走査する第２の走査手段とを有し、
前記第１の走査手段と前記第２の走査手段との間に、前記第１の走査手段からの光を前記第２の走査手段に導く、少なくとも１つの反射面を含む導光光学系を有することを特徴とする走査型表示光学系。 - 前記光源と前記第１の走査手段との間に、前記光源からの光を前記第１の走査手段に導くために集光またはコリメートする光学系を有することを特徴とする請求項１に記載の走査型表示光学系。
- 前記導光光学系が、回転非対称形状の反射面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の走査型表示光学系。
- 前記導光光学系により前記第１の走査手段の光学面と前記第２の走査手段の光学面とが実質的に共役関係になっていることを特徴とする請求項３に記載の走査型表示光学系。
- 前記第１の走査手段による光の偏向角が、時間に対して正弦波的に変化することを特徴とする請求項１に記載の走査型表示光学系。
- 前記第１および第２の走査手段が、微小電気機械システムを用いて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型表示光学系。
- 請求項１から６のいずれかに記載の走査型表示光学系と、前記第１の走査手段に入射する光を発する光源とを有することを特徴とする走査型画像表示装置。
- 請求項７に記載の走査型画像表示装置と、この走査型画像表示装置に前記光源から発せられる光を変調するための画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする走査型画像表示システム。
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