JP2008249797A - 画像投影装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型でありながら高画質の画像を投影することができる画像投影装置を提供する。
【解決手段】光源からの光束を反射する反射部を、非共振駆動により第１軸を中心として回動させつつ、共振駆動により第１軸と略直交する第２軸を中心として回動させることで、光束を２次元方向に偏向する画像投影装置において、被投影面上に導光することで画像を被投影面に投影する投影光学系の光学面が、被投影面上での一方走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正と、被投影面上での一方走査方向と略直交する他方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正とを行う形状を有し、反射部の回動を制御することで、被投影面上における他方走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正、及び被投影面上における一方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正のうちの少なくとも一方の補正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像を被投影面に投影する画像投影装置に関する。より詳細には、光を２次元に偏向走査して画像を投影する小型の画像投影装置の特に光学系に関し、さらに詳しくは、例えばポケットプロジェクタ、データプロジェクタやリアプロジェクションテレビ等の小型のいわゆる光学エンジン部分に関するものである。
光源からの光を２次元に偏向走査して画像を投影する小型の画像投影装置が種々提案されている（例えば特許文献１、非特許文献１）。そして、光を２次元に偏向させる手段（光走査手段）としては、ガルバノミラーや所謂ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーが用いられる。
このような画像投影装置では、大画面に動画を投影しようとすれば、ガルバノミラーやＭＥＭＳミラーを高速かつ大きな振幅（機械的な偏向角度）で駆動させる必要性があり、例えば、共振を用いた駆動（共振駆動）の方式が採用される。
しかしながら、共振駆動を採用した場合には走査速度が振幅の両端すなわち振幅の最大値ならびに最小値、換言すれば画像の周辺付近で大きく低下することが知られている。そして、このような現象により、画面の中心よりも画面の周辺の方が相対的に明るくなってしまったり、光源の変調速度を一定とした場合には、画面の中心と画面の周辺とで解像度の差が生じてしまうことは、一般的な課題として知られている。また、被投影面（例えばスクリーン）に対して斜めの方向から投影させる投影方法を考慮すると、被投影面に対して投影された画像（投影画像）が台形状に歪んだものとなることも、一般的な課題として知られている。
このような問題に対し、共振駆動方式のミラーを用いた偏向走査手段を採用して、明るさや解像度のムラを抑制するためには、被投影面（例えばスクリーン上）に照射される光束の等速性を達成するように光学系を用いて良好に補正することが考えられる。そして、投影光学系に所謂ｆアークサイン特性を持たせるとともに、２枚のミラーと１枚の屈折レンズとの組合せ、または３枚のミラーの組合せを含む投影光学系を用いて、走査の等速性や画像の歪みの補正を行う光走査装置が提案されている（例えば特許文献１）。また、画像処理を利用して走査の等速性や画像の歪みの補正を行う技術も提案されている（例えば非特許文献１）。
特開２００６−１７８３４６号公報 ＳＩＤ ０６ ＤＩＧＥＳＴ，Ｐ２０１５−２０１７，７３．３
しかしながら、上記特許文献１の技術では、光を２次元に偏向走査するＭＥＭＳミラーを用いた装置において、走査の等速性と投影画像の歪みを補正するが、ＭＥＭＳミラーの駆動方法や投影方法に起因した不具合を、全てＭＥＭＳミラーで偏向された光を被投影面に投影させる光学系（投影光学系）の形状で補正するため、投影光学系の大型化、ひいては画像投影装置の大型化を招く。つまり、ＭＥＭＳミラーを用いて、水平走査線に沿った方向（横方向）の共振駆動、および縦方向のリニア駆動を投影光学系のみで補正すると、投影光学系が複雑化してしまい、投影光学系の大型化を招く。このため、元々小型化を指向しているにも拘わらず、装置の大型化を招いてしまい、ニーズに対して適切に応えていないと言える。また、非特許文献１の技術のように、ＭＥＭＳミラーの駆動方法や投影方法に起因した不具合を、画像処理を用いて補正しようとすると、ＭＥＭＳミラーの機械的な偏向角度のうちで、光の偏向および投影に用いられる角度が減少するため、いわゆるデューティの低下によって画像の明るさの低下、すなわち画質の低下を招いてしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型でありながら高画質の画像を投影することができる画像投影装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、画像を被投影面に投影する画像投影装置であって、光源手段と、前記光源手段から発せられた光束を反射する反射部を有し、第１軸を中心とした前記反射部の回動と、前記第１軸と略直交する第２軸を中心とした前記反射部の回動とにより、前記光束を２次元方向に偏向する偏向手段と、前記反射部を、共振駆動により前記第２軸を中心として回動させるとともに、非共振駆動により前記第１軸を中心として回動させるように制御する偏向制御手段と、前記偏向手段によって偏向された光束を、前記被投影面上に導光することで、前記画像を前記被投影面に投影する投影光学系とを備え、前記投影光学系を構成する光学面が、前記被投影面上における一方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する一方走査方向速度補正と、前記被投影面上における前記一方走査方向と略直交する他方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する他方走査方向歪補正とを行う形状を有し、前記偏向制御手段が、前記第１軸を中心とした前記反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記他方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する他方走査方向速度補正、および前記第２軸を中心とした前記反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記一方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する一方走査方向歪補正のうちの少なくとも一方の補正を行うことを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記反射部を回動させるための駆動信号を調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記反射部を回動させるための駆動信号を補正信号によって調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記反射部を回動させるための駆動信号の波形を非線形に調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第２軸を中心として前記反射部を反復回動させるための駆動信号の振幅に強弱を付与することで、一方走査方向歪補正を行うことを特徴とする。
また、請求項６の発明は、画像を被投影面に投影する画像投影装置であって、光源手段と、前記光源手段から発せられた光束を空間順次に反射する第１および第２の反射部を有し、第１軸を中心とした前記第１の反射部の回動と、前記第１軸を基準にして該第１軸と略直交する所定の直線に沿って所定距離離隔し且つ前記所定の直線を中心として略９０°回転させた関係にある第２軸を中心とした前記第２の反射部の回動とにより、前記光束を２次元方向に偏向する偏向手段と、前記第２の反射部を、共振駆動により前記第２軸を中心として回動させるとともに、前記第１の反射部を、非共振駆動により前記第１軸を中心として回動させるように制御する偏向制御手段と、前記偏向手段によって偏向された光束を、前記被投影面上に導光することで、前記画像を前記被投影面に投影する投影光学系とを備え、前記投影光学系を構成する光学面が、前記被投影面上における一方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する一方走査方向速度補正と、前記被投影面上における前記一方走査方向と略直交する他方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する他方走査方向歪補正とを行う形状を有し、前記偏向制御手段が、前記第１軸を中心とした前記第１の反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記他方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する他方走査方向速度補正、および前記第２軸を中心とした前記第２の反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記一方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する一方走査方向歪補正のうちの少なくとも一方の補正を行うことを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項６に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記第１の反射部を回動させるための駆動信号を調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項６または請求項７に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記第１の反射部を回動させるための駆動信号を補正信号によって調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項７または請求項８に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記第１の反射部を回動させるための駆動信号の波形を非線形に調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項６に記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、各フレームの画像の表示期間において前記第２軸を中心として前記第２の反射部を反復回動させるための駆動信号の振幅に強弱を付与することで、一方走査方向歪補正を行うことを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、前記他方走査方向速度補正を行うように制御することを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、前記一方走査方向歪補正を行うように制御することを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の画像投影装置であって、前記偏向制御手段が、前記他方走査方向速度補正および前記一方走査方向歪補正の両方を行うように制御することを特徴とする。
請求項１から請求項１２に記載の発明によれば、投影光学系を構成する光学面の形状によって、被投影面上における一方走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正と、被投影面上における一方走査方向と略直交する他方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正とを行う一方で、偏向手段の反射部における第１軸を中心とした回動を制御することで、被投影面上における他方走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正、および偏向手段の反射部における第２軸を中心とした回動を制御することで、被投影面上における一方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正のうちの少なくとも一方の補正を行うような構成を採用することで、投影光学系の大型化や画像の輝度低下を招くことなく、光束の走査における等速性の確保と画像における歪みの抑制とを図ることができる。したがって、小型でありながら高画質の画像を投影することができる画像投影装置を提供することができる。
また、請求項１３に記載の発明によれば、偏向手段の反射部における第１軸を中心とした回動を制御することで、被投影面上における他方走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正、および偏向手段の反射部における第２軸を中心とした回動を制御することで、被投影面上における一方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正の両方を行うような構成を採用することで、投影光学系の小型化をより図ることができるため、更に小型でありながら高画質の画像を投影することができる画像投影装置を提供することができる。
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜従来の画像投影装置とその問題点＞
まず、本発明の実施形態に係る画像投影装置について説明する前に、本発明の実施形態に係る画像投影装置における特徴部分を明確化するために、従来技術に係る画像投影装置、およびその問題点について説明する。
従来、小型の画像投射装置としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）や液晶素子を用いたプロジェクタが知られている。しかしながら、このようなＤＭＤや液晶素子を用いて画面を拡大投影する、いわゆるマイクロディスプレイ方式では、ＤＭＤや液晶素子上における２次元の画像を投影するために、比較的大きな照明光学系や投影光学系が必要であり、装置の小型化には限界がある。
これに対して、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって作成されたミラー（ＭＥＭＳミラー）等といった微小なミラー（偏向走査ミラー）を直交する２軸を中心として振幅回動させてレーザー光の光束をスクリーン上で２次元に走査させつつ、レーザー光の輝度を変調する方式（レーザー走査方式）のプロジェクタについては小型化が可能である。これは、上記ＤＭＤ等を用いた画像投影装置と比較して、偏向走査ミラーがＤＭＤ等と比較して小型であり、照明光学系がレーザー光を偏向走査ミラーに照射するだけで良いために小型であり、投影光学系が偏向走査ミラー上で反射された非常に細い光束をスクリーンに導光すれば良いために小型であるためである。
そして、レーザー走査方式を採用した画像投影装置において、更に明るく高解像度すなわち高品質の画像を投射することが望まれている。このような高品質の投影画像を実現するためには、レーザー光の走査の速度の変動を抑えること（すなわち等速性の確保）、投影画像の歪みを抑制することが重要である。この点については後述する。
＜従来技術に係る画像投影装置の基本的な動作＞
一般的なＮＴＳＣ信号等の画像信号を利用する場合を想定すると、ＭＥＭＳミラー等の偏向走査ミラーによってスクリーン上でレーザー光を２次元で走査するか、または２枚の偏向走査ミラーの回動の組み合わせによってスクリーン上でレーザー光を２次元で走査して、高解像度の動画像をスクリーン上に投影するためには、垂直走査を低速で行い、水平方向を高速で行う必要がある。
具体的には、偏向走査ミラーにおいて、動画像信号の垂直同期信号に応答して、垂直走査に対応する回動を６０Ｈｚ等の目にちらつきが感じられない程度の周期で行い、動画像信号の水平同期信号に応答して、垂直走査の周期の間に水平走査に対応する回動を、水平走査線の本数に応じた周期で行う。なお、垂直走査と水平走査の周波数の比が垂直走査方向の解像となる。
したがって、例えば、いわゆるＸＧＡの解像度（横１０２４画素×縦７６８画素）を実現するためには、いわゆるブランキング期間の画素も考慮すると、偏向走査ミラーにおいて、約４８ＫＨｚ（＝６０×８０６）の周波数で水平走査に対応する回動を行う必要がある。但し、水平走査で往路と復路の双方を利用して描画を行う場合には、偏向走査ミラーにおいて、その半分の約２４ＫＨｚの周波数で水平走査に対応する回動を行う必要がある。
水平走査のために偏向走査ミラーを２４ＫＨｚの周波数で駆動させることは、非常に高速の駆動であるため、高速で大きな機械振幅を実現することができる、いわゆる共振駆動を用いることが好ましい。ここで、共振駆動を用いなければ、振幅や速度が不足してしまう。したがって、水平走査に対応する偏向走査ミラーの駆動は、いわゆる正弦波駆動であることが好ましい。なお、ここで言う「共振駆動」は、外部から強制的に加わる振動の大きさが一定で振動数を変化させたとき、振動系の固有振動数の近くで振幅が急増する共振の現象を利用した駆動であり、偏向走査ミラーの固有振動数に合わせた周波数で偏向走査ミラーを駆動させることを意味している。また、ここで言う「正弦波駆動」は、時間経過に対する偏向走査ミラーの回動角度の変位量が正弦波の形状を呈する駆動を意味している。
一方、垂直走査のために偏向走査ミラーを６０Ｈｚの周波数で駆動させることは、比較的遅い駆動であるため、共振を利用しない駆動方式（以下「非共振駆動」とも称する）を採用することができる。そして、例えば、動画のフレームレート（フレーム画像の切り替わりの周波数）を６０Ｈｚとすると、時間経過に対する偏向走査ミラーの回動角度の変位量が鋸波形状を呈し且つ周波数が６０Ｈｚとなれば良い。なお、偏向走査ミラーの回動の往復を利用して描画を行う場合には、時間経過に対する偏向走査ミラーの回動角度の変位量が三角波形状を呈し且つ周波数が３０Ｈｚとなれば良い。
ここで、共振駆動および非共振駆動に起因した問題ならびに該問題を解決することの重要性について説明する。
＜走査における等速性の重要性＞
まず、正弦波駆動を利用した被投影面（例えばスクリーン）上における水平走査の速度の一定性（等速性）について述べる。
水平走査は共振を用いて実現すると、被投影面の中心近傍と周縁近傍との間で、水平走査の速度差が発生する。
特に、水平走査に対応する偏向走査ミラーの回動の変位の両端では、回動速度がゼロになってしまうため、偏向走査ミラーの回動の変位の全範囲を、被投影面上における水平走査に使用することは難しい。例えば、偏向走査ミラーの回動の周期（回動周期）の７５％を水平走査に使用すると、偏向走査ミラーの回動角度の変位の全範囲のうちの約９２％（＝ｓｉｎ［９０°×０．７５］×１００％）を利用して水平走査を行うこととなる。なお、以下では、適宜、偏向走査ミラーの回動の周期のうち水平走査に使用する期間を「水平走査有効期間」とも称し、偏向走査ミラーの回動角度の変位の全範囲のうちの水平走査に使用する角度範囲を「水平走査有効角度範囲」とも称する。
そして、上述の如く回動周期の７５％を水平走査に使用する場合、水平走査有効角度範囲のうちの端部における走査速度は、中心における走査速度の約３８％（ｃｏｓ［９０°×０．７５］×１００％）になってしまう。このように、水平走査を実現する上で正弦駆動方式を利用する限り、機械的な制御により、水平走査の速度差を補正して、等速性を確保することは困難である。なお、以下では、水平走査に係る回動周期を占める水平走査に使用する時間の比率（利用率）を適宜「Ｈ方向時間利用率」、垂直走査に係る回動周期を占める垂直走査に使用する時間の比率（利用率）を適宜「Ｖ方向時間利用率」と称する。
ここで、仮に水平走査の速度差を画像処理によって補正する場合、例えば、被投影面における中心と周辺とで１ドット（すなわち１画素又は１絵素）に相当するクロック数を変化させると言う手法が考えられる。
例えば、０．３８倍の走査速度の差を補正するために、クロックの発生間隔を０．４倍だけ変化させるには、１ドットを、例えば１０クロックに分けて、周辺では１０クロックで、さらに中心では４クロックで１つのドットを表現するという方法が考えられる。しかしながら、６０ＨｚのＸＧＡの解像度の場合で、レーザー光の変調については、約６５０ＭＨｚ（＝６０×１３４４×８０６×１０［ＭＨｚ］）の周波数が必要となる。このような条件では、１クロックで約１．５ナノ秒（ｎｓ）のパルス光を射出する必要があるが、高速の変調を可能とするレーザー装置は非常に高価である。
また、画像処理回路においても、高速処理を行うには限界があり、例えば、現在高速とされるＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Alley）回路では、動作周波数が１０ＧＨｚ程度であるが、フレームレートが６０ＨｚのＸＧＡの解像度を８ビット（２５６階調）で表現をするために必要な動作周波数は、約１２ＧＨｚとなる。したがって、技術の進歩でプロセッサの動作周波数の高周波数化は可能であるが、画像処理回路も高価となり、好ましくない。
更に、画像処理を行ったとしても走査速度の差から生じる明るさのムラは補正できないため、被投影面の周辺部の輝度（レーザー光の強度）を低下させることで、画像全体として明るさのムラを補正することになるが、結果として画像全体を暗くすることになるため、好ましくない。
なお、ここまで水平走査の等速性に係る補正の重要性について説明したが、水平走査と同様に垂直走査についても偏向走査ミラーを正弦波駆動（往復駆動）させる場合には、垂直走査に対応する偏向走査ミラーの回動の変位の両端では、回動速度がゼロになってしまうため、偏向走査ミラーの回動の変位の全範囲を、被投影面上における垂直走査に使用することは難しく、水平走査と同様な問題が発生する。
上述したように、水平および垂直走査について等速性が崩れると、例えば、レーザー光の変動が同じタイミングで行われると、走査速度が遅いと画素間が狭く再現され、走査速度が速いと画素間が広く再現されてしまい、被走査面上での画像領域の大きさの差、すなわち画像の歪みが発生してしまう。更に、走査速度が遅い画像領域が相対的に明るくなってしまい、画像の明るさにムラが生じてしまう。但し、このような問題を解決するために、レーザー光の変調速度を変化させることはコストアップにもつながり、画像処理で画像における明るさのムラを抑制するには、画像の明るさの低下にもつながるため、好ましくない。
＜画像の歪み補正の重要性＞
レーザー光を被投影面で２次元で走査するための偏向走査ミラーを用いると、図２５(ａ)で示すように、被走査面上の画像ＧＡに糸巻き状の歪みが発生することが、一般に知られている。このような画像の歪みは映像品質を劣化させるため、好ましくない。
更に、画像投影装置は、一般的に、机上などに設置された状態で使用されることが主に想定され、設置面に画像が投影されて、いわゆる画像のけられが発生する不具合を回避するために、被投影面の中心に対して光を斜めから入射する投影方式（いわゆる斜め投影方式）が採用されることが実際の使用上の観点から好ましい。しかしながら、被投影面に対して斜め方向から投影すると、被投影面上の画像（投影画像）が台形状に歪む不具合（台形歪み）が発生することも一般に知られている。
したがって、画像投影装置では、実際の使用上、投影画像に種々の歪みが発生することは基本的に避けられない課題と言える。
ここで、仮に上記非特許文献１で提案されている画像処理によって投影画像の歪みの補正を行った場合について説明する。図２５(ａ)で示すように被投影面上で歪んで画像が投影される領域（投影領域）ＧＡのうち、図２５(ｂ)で示すように、長方形状の領域ＧＡ’を採用して、領域ＧＡ’のサイズに合うように、画像データを変形させて投影を行うことが考えられる。しかしながら、この技術では、投影領域の切り取りにより、投影画像が小さくなってしまったり、切り取られた領域分だけ明るさが低下するため、画面全体の明るさが低下してしまう。
＜従来技術に係る画像投影装置における問題点＞
光源からの光を偏向しつつ被投影面に対して２次元に走査する偏向走査ミラーを用いた画像投影装置では、明るく、高解像度の映像を提供するために、走査の等速性の確保と、映像すなわち画像の歪みの補正とを適正に行うことが望ましい。
そこで、上記特許文献１で記載された技術のように、水平走査方向と垂直走査方向とに係る等速性と画像の歪みとを全て投影光学系で補正して良好な映像品質を実現する手法も考えられるが、この技術では、投影光学系の構成が複雑となり、装置の大型化を招いてしまう。したがって、偏向走査ミラーを用いて小型の画像投影装置を提供するという目的に対して、投影光学系が大きくなり過ぎると、目的に対して矛盾し、目的を十分に達成することができない。
そこで、本願発明者らは、装置の大型化を招くことなく、上記４つの補正すべき項目、具体的には、（補正項目Ｉ）水平走査方向に係る等速性、（補正項目II）垂直走査方向に係る等速性、（補正項目III）水平走査方向に係る歪み、および（補正項目IV）垂直走査方向に係る歪み、をそれぞれ補正して、良好な画像を提供することができる画像投影装置を創出した。以下、その画像投影装置について説明する。
＜第１実施形態＞
＜画像投影装置の構成概要＞
図１は、本発明の実施形態に係る画像投影装置１００の機能構成を示すブロック図である。
画像投影装置１００は、動画像を被投影面であるスクリーンＳＣに対して投影する装置であり、主に入力画像処理部１１０、駆動制御部１２０、および光学機構部１３０を備えて構成される。
入力画像処理部１１０は、画像入力回路１１１と画像処理回路１１２とを備える。
画像入力回路１１１は、入力機器ＩＭから入力される画像信号を受け付け、画像処理回路１１２に出力する。画像処理回路１１２は、画像入力回路１１１からの画像信号に対して適宜画像処理を施し、駆動制御部１２０に出力する。
ここで、入力機器ＩＭとしては、例えばパーソナルコンピュータ（パソコン）等が挙げられ、画像信号としては、例えば一般的なＮＴＳＣ信号等が挙げられる。また、画像処理回路１１２における画像処理としては、例えば一般的なγ変換処理や、画素の走査順序の変更が必要な場合に画素値の順序を入れ換える処理等が挙げられる。
駆動制御部１２０は、画像出力回路１２１、偏向制御回路１２２、および光源駆動回路１２３を備える。
画像出力回路１２１は、画像信号の水平同期信号および垂直同期信号に応答して偏向制御回路１２２に対して２次元偏向部１３２（後述）の駆動タイミングを制御するための信号（制御信号）を出力するとともに、光源駆動回路１２３に対して、画像信号の画素値に応じた信号（画素データ信号）を出力する。偏向制御回路１２２は、画像出力回路１２１からの制御信号に応じた電位の駆動信号を２次元偏向部１３２に対して付与する。光源駆動回路１２３は、画像出力回路１２１からの画素データ信号に応じて、光源１３３（後述）から画像データ信号に係る階調に応じた色と輝度の光が射出されるように制御する。この制御タイミングは、画像信号の水平同期信号および垂直同期信号に応答して行われる。
なお、入力画像処理部１１０および駆動制御部１２０は、ＣＰＵが所定のプログラムを読み込んで実行することで機能として実現されても良いし、専用の電子回路で構成されても良い。
光学機構部１３０は、投影光学系１３１、２次元偏向部１３２、および光源１３３を備える。
光源１３３は、レーザー光を発生させる素子（レーザー素子）と該レーザー素子から出射されるレーザー光を略平行な光束に変換するレンズ（コリメータレンズ）とを備える。ここでは、光源１３３は、赤（Ｒ）色のレーザー光を発生させるレーザー素子とＲ色のレーザー光を略平行な光束に変換するコリメートレンズの組合せ、緑（Ｇ）色のレーザー光を発生させるレーザー素子とＧ色のレーザー光を略平行な光束に変換するコリメートレンズの組合せ、青（Ｂ）色のレーザー光を発生させるレーザー素子とＢ色のレーザー光を略平行な光束に変換するコリメートレンズの組合せを有する。そして、各色のレーザー素子は、光源駆動回路１２３からの画素データ信号に応じて、画像信号の画素値に応じた輝度のレーザー光を発生および出射する。
なお、Ｒ色とＢ色のレーザー光を発生させるレーザー素子は、所謂半導体レーザーによって構成され、Ｇ色のレーザー光を発生させるレーザー素子は、所謂半導体励起の固体レーザーによって構成される。例えば、Ｒ色のレーザー光の波長が６３０ｎｍ、Ｇ色のレーザー光の波長が５３２ｎｍ、Ｂ色のレーザー光の波長が４４５ｎｍであり、ＲＧＢ色のレーザー素子の最大出力を１５０ｍＷ、１２０ｍＷ、８３ｍＷにそれぞれ設定すると、鮮明な白色、および色再現性の良好な非常に鮮明な画像をスクリーンＳＣ上に実現することができる。そして、この条件を満たす光源１３３からのレーザー光の出力値は約１００ルーメンとなり、例えば、光源１３３からスクリーンＳＣに至るまでの光学系にロス（面反射のおけるロス、２次元偏向部１３２における制御に起因したロス、後述する色合成手段におけるロスなど）を合計で５０％とした場合には、５０ルーメンの明るさを有するレーザー光をスクリーンＳＣに投影することができる。
また、光源１３３は、光源駆動回路１２３からの画素データ信号に応じて、画像信号の水平同期信号および垂直同期信号に応答したタイミングで、レーザー光の出力を変調させる。なお、Ｇ色のレーザー光の変調方式としては、励起用のレーザーの直接変調を採用しても良いし、所謂音響光学素子（ＡＯ素子）等の外部変調を採用しても良い。但し、所謂ＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）導波路を用いて第２高調波を発生させる方式で励起用の半導体レーザーの直接変調を採用する方が、ＡＯ素子を必要としないため好ましい。
２次元偏向部１３２は、光源１３３から発せられた光束を反射する部分（反射部）を有し、該反射部が略直交する２軸を中心としてそれぞれ回動することで、光源１３３からの光束を２次元的に反射するように偏向する。なお、本明細書では、反射部が２軸を中心としてそれぞれ回動することで光束の進行方向を上下方向と左右方向とに別個独立に変えること、すなわち光束を上下方向に偏向させつつ、左右方向にも偏向させることを、「２次元方向に偏向する」と表現する。
図２は、２次元偏向部１３２の構成を例示する正面図であり、以下、図２を参照しつつ、２次元偏向部１３２の具体的な構成について説明する。
２次元偏向部１３２は、シリコンのチップに対して微細加工が施された、所謂ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーによって構成されている。なお、以下では、２次元偏向部１３２を適宜ＭＥＭＳミラー１３２とも称する。
２次元偏向部１３２は、主に偏向走査ミラー１０、２本のトーションバー２１，２２、可動枠３０、４つの圧電素子５１〜５４、４本の架設部４１〜４４、４本の細連結部３０ａ〜３０ｄ、および固定枠７０を備えている。
固定枠７０は、画像投影装置１００の筐体に対して固定され、４本の板状の部分が略矩形状に配置された４辺からなる枠であり、外縁および内縁が、対角線が略直交するａ軸およびｂ軸である略正方形状の形状を有し、内縁が略正方形状の空間を形成している。
そして、固定枠７０の角部の内側のうち、ｂ軸上の＋ｂ方向（図２では上方）の部分に、２本の架設部４１，４３が連結されて、架設部４１は、固定枠７０の−ａおよび＋ｂ方向（図２では左上方）に位置する１辺に沿って配置され、架設部４３は、固定枠７０の＋ａおよび＋ｂ方向（図２では右上方）に位置する１辺に沿って配置されている。また、固定枠７０の角部の内側のうち、ｂ軸上の−ｂ方向（図２では下方）の部分に、２本の架設部４２，４４が連結されて、架設部４２は、固定枠７０の−ａおよび−ｂ方向（図２では左下方）に位置する１辺に沿って配置され、架設部４４は、固定枠７０の＋ａおよび−ｂ方向（図２では右下方）に位置する１辺に沿って配置されている。
また、架設部４１〜４４には、各架設部４１〜４４の延設方向に沿って圧電素子５１〜５４がそれぞれ貼り付けられている。したがって、架設部４１と圧電素子５１とが固定枠７０の＋ｂ方向（図２では上方）に位置する角部の内側から−ａおよび−ｂ方向（図２では左下方）に向けて延設された伸縮架設部６１を構成し、架設部４２と圧電素子５２とが固定枠７０の−ｂ方向（図２では下方）に位置する角部の内側から−ａおよび＋ｂ方向（図２では左上方）に向けて延設された伸縮架設部６２を構成し、架設部４３と圧電素子５３とが固定枠７０の＋ｂ方向（図２では上方）に位置する角部の内側から＋ａおよび−ｂ方向（図２では右下方）に向けて延設された伸縮架設部６３を構成し、架設部４４と圧電素子５４とが固定枠７０の−ｂ方向（図２では下方）に位置する角部の内側から＋ａおよび＋ｂ方向（図２では右上方）に向けて延設された伸縮架設部６４を構成している。
そして、伸縮架設部６１と伸縮架設部６２とがａ軸を挟んで所定距離だけ離隔配置され、伸縮架設部６３と伸縮架設部６４とがａ軸を挟んで所定距離だけ離隔配置されている。
また、伸縮架設部６１のａ軸側の端部が細連結部３０ａによって可動枠３０に対して連結され、伸縮架設部６２のａ軸側の端部が細連結部３０ｂによって可動枠３０に対して連結され、伸縮架設部６３のａ軸側の端部が細連結部３０ｃによって可動枠３０に対して連結され、伸縮架設部６４のａ軸側の端部が細連結部３０ｄによって可動枠３０に対して連結されている。
また、可動枠３０は、固定枠７０と同様に、４本の板状の部分が略矩形状に配置された４辺からなる枠であり、外縁が、対角線が直交するａ軸およびｂ軸である略正方形状の形状を有し、内縁が、六角形状の空間を形成している。
そして、可動枠３０の角部の内側のうち、ｂ軸上の＋ｂ方向（図２では上方）の部分に、トーションバー２１が−ｂ方向（図２では下方）に向けて延設され、可動枠３０の角部の内側のうち、ｂ軸上の−ｂ方向（図２では下方）の部分に、トーションバー２２が＋ｂ方向（図２では上方）に向けて延設されている。
トーションバー２１の可動枠３０に連結されていない側の端部に偏向走査ミラー１０が連結され、トーションバー２２の可動枠３０に連結されていない側の端部に偏向走査ミラー１０が連結されている。つまり、トーションバー２１，２２が、偏向走査ミラー１０を＋Ｙ方向および−Ｙ方向から挟み込むように支持する。つまり、可動枠３０は、トーションバー２１，２２を偏向走査ミラー１０ごと支持している。
偏向走査ミラー１０は、ａ軸に対して略平行な２辺とｂ軸に対して略平行な２辺とを外縁として有する略正方形状の反射鏡であり、２次元偏向部１３２の略中央に配置されて、投影するためのレーザー光を反射させるものである。
なお、２本のトーションバー２１，２２は、厚みが薄く且つ細長い形状を有するため、比較的容易に弾性変形を行う。また、細連結部３０ａ〜３０ｄも、厚みが薄く細いため、比較的容易に弾性変形を行う。
偏向走査ミラー１０の具体的な回動動作としては、圧電素子５１〜５４に適宜電圧を印加すると、圧電素子５１〜５４の長さが印加された電圧に応じて変化するため、該圧電素子５１〜５４が貼り付けられている架設部４１〜４４が、延設方向に沿って伸縮する。つまり、伸縮架設部６１〜６４がそれぞれ延設方向に沿って伸縮する。したがって、例えば、圧電素子５１，５３に印加する電圧と、圧電素子５２，５４に印加する電圧とを正負を交互に入れ換えること、すなわち圧電素子５１，５３と圧電素子５２，５４とに逆位相の電圧を印加することで、偏向走査ミラー１０はａ軸を中心として回動する。一方、例えば、圧電素子５１，５２に印加する電圧と、圧電素子５３，５４に印加する電圧とを正負を交互に入れ換えること、すなわち圧電素子５１，５２と圧電素子５３，５４とに逆位相の電圧を印加することで、偏向走査ミラー１０はｂ軸を中心として回動する。
そして、４つの圧電素子５１〜５４に対し、ａ軸を中心とした偏向走査ミラー１０の回動を実現するための駆動信号と、ｂ軸を中心とした偏向走査ミラー１０の回動を実現するための駆動信号とを重畳させて印加させることで、偏向走査ミラー１０は、トーションバー２１，２２を支点にしたｂ軸を中心とする共振駆動と、可動枠３０を偏向走査ミラー１０およびトーションバー２１，２２ごとａ軸を中心として回動させる駆動とを行う。したがって、１つの偏向走査ミラー１０を有する１つの素子でありながら、ａ軸を中心とした低速の回動と、共振駆動を利用したｂ軸を中心とした高速の回動とを同時に行うことができる。つまり、レーザー光を異なる２方向に沿って偏向させることで、スクリーンＳＣ上におけるレーザー光の水平走査と垂直走査とを同時に行うことができる。なお、水平走査と垂直走査とを同時に行う２次元的な走査を１つの素子で行うことは、２次元偏向部１３２の部品点数を低減させる上で好ましく、製造コストの低減や素子の調整に要する作業を低減することができるといった面からも好ましい。
なお、以下では、ＭＥＭＳミラー１３２の有効径（瞳径）Φは、１ｍｍであるものとして説明を行う。
投影光学系１３１は、適宜回動角度が変更された２次元偏向部１３２により偏向された光束を、被投影面であるスクリーンＳＣ上に導くことで、動画像をスクリーンＳＣ上に投影する。なお、図１では、光源１３３から２次元偏向部１３２および投影光学系１３１を経てスクリーンＳＣにレーザー光が至ることが、太い破線の矢印で示されている。また、投影光学系１３１、２次元偏向部１３２、および光源１３３を備えた光学機構部１３０の具体的な構成については更に後述する。
このように、画像投影装置１００と入力機器ＩＭとスクリーンＳＣとで、入力機器ＩＭからの画像データをスクリーンＳＣにおいて可視的に出力する画像投射システムが形成される。
＜画像投影装置の使用態様＞
図３は、画像投影装置１００の典型的な使用態様の例を投影方向の側方から見た模式図である。
図３では、画像投影装置１００が、例えば、机ＤＫ上に載置された状態で、スクリーンＳＣに対して光束を適宜偏向ならびに走査しながら投影することで、スクリーンＳＣ上に動画像を映し出す態様が示されている。なお、図３では、光束が適宜偏向されることで通過する領域（光束通過領域）ＬＡが砂地ハッチングが付されて示されている。
図３で示すように、画像投影装置１００は、光束通過領域ＬＡが机ＤＫによって遮られて、スクリーンＳＣ上の投影画像に画像の欠け（すなわち所謂けられ）が発生しないように、画像投影装置１００からスクリーンＳＣに向けた光束通過領域ＬＡの中心の軸（すなわち光軸）ＬＰが、スクリーンＳＣに対して傾けられている。詳細には、画像投影装置１００の光軸ＬＰは、机ＤＫとは逆側すなわち若干上方に向けて傾けられて設定され、スクリーンＳＣに対して斜めの方向から光軸ＬＰが入射する。
＜光学機構部＞
図４および図５は、光学機構部１３０の概略構成を示す図である。図４では、光源１３３側からスクリーンＳＣへ向けた光束の光路を側方から見た模式図が示され、図５では、光源１３３から２次元偏向部１３２に向けた光束の光路を上方から見た模式図が示されている。なお、図４および図５では、方位関係を明確化するためにｘｙｚの直交する３軸が付されている。また、図４では、光路を模式的に示しているが、実際には、領域ＲＰ（図中波線で囲んだ領域）付近で、図５で示すように、反射ミラーＭｒ（後述）によって、光源１３３側の光路は図面に対して垂直な方向に向けられている。また、図５では、ＲＧＢ色のレーザー光が便宜的に若干だけずらされて記載され、図４では、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０の回動により３つの異なる角度に光束が偏向された光路が便宜的に記載されている。
光学機構部１３０は、光源１３３側から順に、各色のレーザー光を発生するレーザー素子（不図示）、各色のコリーメータレンズ（不図示）、プリズムＤＰ、アナモルフィックレンズＡＬ、反射ミラーＭｒ、２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１、第２投影ミラーＭ２を備えて構成される。
プリズムＤＰは、相互に略直交し合って入射されてくるＲＧＢ色の３色のレーザー光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂを合成する手段（色合成手段）であり、プリズムＤＰで合成された光は、アナモルフィックレンズＡＬに入射される。なお、色合成手段としては、プリズムの他にダイクロイックミラーの組み合わせであってもよい。
アナモルフィックレンズＡＬは、光源１３３側、すなわちレーザー光の入射面ＡＬａが平面で、レーザー光の射出側の面（射出面）ＡＬｂがｘ方向に沿った曲率半径とｙ方向に沿った曲率半径とが異なる面（アナモルフィック面）である入射光学系である。射出面ＡＬｂから射出される光束Ｐ１は、反射ミラーＭｒで反射されて約９０°だけ射出方向が変更された光束Ｐ２として２次元偏向部１３２に対し入射される。
２次元偏向部１３２では、適宜偏向走査ミラー１０が２つの軸（ａ軸、ｂ軸）を中心として適宜回動することで、光束Ｐ２が偏向されて光束Ｐ３として第１投影ミラーＭ１に入射される。
第１投影ミラーＭ１と第２投影ミラーＭ２は、投影光学系１３１を構成し、２次元偏向部１３２からの光束Ｐ３は第１投影ミラーＭ１で反射されて射出方向が変更された光束Ｐ４とされ、更に光束Ｐ４は、第２投影ミラーＭ２で反射されて射出方向が変更された光束Ｐ５とされて、スクリーンＳＣに対して投影される。
なお、２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１、および第２投影ミラーＭ２は、それぞれ反射した光束を遮らないように配置される。例えば、２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１、および第２投影ミラーＭ２がｚ軸に略平行な直線上に配置されるような態様は、他の部材によって光束が遮られるため考えられない。そこで、画像の短辺に沿った方向に２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１、および第２投影ミラーＭ２が相互にずらされて、そのずらされた分だけ角度も調整されて配置されている。このように反射される度に光路がずらされていくような手法を「光線分離」とも称する。
具体的には、通常の画像は横：縦＝４：３又は横：縦＝１６：９といった横長の形状を有することが多く、短辺に沿った方向（長辺側の方向）に光路をずらしていく方が光線分離が容易であり、２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１、および第２投影ミラーＭ２が配置される領域を小さく絞る点で好ましい。つまり、投影光学系１３１の小型化、ひいては画像投影装置１００の小型化を図る上で好ましい。
次に、上述した、４つの補正すべき項目、すなわち（補正項目Ｉ）水平走査方向に係る等速性、（補正項目II）垂直走査方向に係る等速性、（補正項目III）水平走査方向に係る歪み、および（補正項目IV）垂直走査方向に係る歪み、の具体的な補正手法について、以下説明する。なお、本明細書では、スクリーンＳＣ上における水平走査方向に沿った光束の走査速度を略一定にする補正を「水平走査方向速度補正」とも称し、スクリーンＳＣ上における水平走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正を「水平走査方向歪補正」とも称し、スクリーンＳＣ上における垂直走査方向に沿った光束の走査速度を略一定にする補正を「垂直走査方向速度補正」とも称し、スクリーンＳＣ上における垂直走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正を「垂直走査方向歪補正」とも称する。
＜（補正項目Ｉ）水平走査方向に係る等速性＞
被投影面上におけるレーザー光の水平走査については、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０をｂ軸を中心として共振駆動させる回動を行うことで実現するため、２次元偏向部１３２の駆動制御によって等速性を持たせるように補正することは困難である。したがって、投影光学系１３１の形状を適宜調整することで、水平走査方向のレーザー光の走査速度を補正して、水平走査方向に係る等速性を実現することが好ましい。この水平走査方向に係る等速性を実現するためには、例えば、第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２の反射面のうちの水平走査方向に対応する方向に沿って、いわゆるｆアークサイン特性を持たせることが好ましい。このｆアークサイン特性を持たせることは、上記特許文献１等にも記載されているような周知技術によって実現される。つまり、第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２の反射面が、水平走査方向に対応する方向に沿って、周辺に向かうほど負のパワーが強くなるように構成されていることが好ましい。
ここで、ｆアークサイン特性を必要としているのは、水平走査方向に係る等速性の確保のためであり、第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２の反射面のうちの垂直走査方向に対応する方向については、いわゆるｆ−θ特性やｆＴａｎθ特性を持たせれば良く、投影光学系１３１の反射面のうち、垂直および水平走査方向に対応する方向に沿った特性が相互に異なることが好ましい。
なお、水平走査方向に対応する方向に沿って極力広い角度で偏向させる観点から言えば、第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２のうち、水平走査方向に対応する方向に沿って反射面が相対的に大きな反射ミラーに、反射面のうちの水平走査方向に対応する方向に沿ってｆアークサイン特性を持たせることが好ましい。換言すれば、入射されるレーザー光が最も広い範囲に分離されている反射ミラーの水平走査方向に対応する方向に沿ってｆアークサイン特性を持たせることが、独自にレーザー光線の偏向角度を制御することができるため、好ましい。
更には、収差の補正によるスクリーンＳＣ上における結像状態と走査の等速性とのバランスを良好に保つ観点から言えば、第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２の反射面が分担して、水平走査方向に対応する方向に沿ってｆアークサイン特性を持たせる方が好ましい。
＜(補正項目II)垂直走査方向に係る等速性＞
垂直走査方向に係る等速性については、投影光学系１３１の特性による補正と、２次元偏向部１３２の駆動制御による補正との両方によって実現する方法が考えられる。しかしながら、上記特許文献１で記載されたように投影光学系１３１の特性による補正を行おうとすると、投影光学系１３１の大型化を招いてしまうが、画像投影装置１００の小型化を図る上では、投影光学系１３１を小型とする方が好ましい。このため、画像投影装置１００では、わずかな回路を付加することで、２次元偏向部１３２の駆動制御による補正によって垂直走査方向に係る等速性を実現している。
まず、この垂直走査方向に係る走査速度の補正方法の原理について簡単に説明する。
図６は、垂直走査方向に係る走査速度の補正方法の原理を示す図である。
例えば、図６(ａ)で示すような鋸歯状の駆動信号（太線）を付与して、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０をａ軸を中心として等速で回動させると、画像投影装置１００とスクリーンＳＣとの角度関係などに起因して、図６(ｂ)で示すように、スクリーンＳＣ上において、画像の下に行くほど垂直走査速度が速くなるような場合が想定される。このような場合には、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０のａ軸を中心とした回動速度において適宜速度差を出す。例えば、図６(ｃ)で示すように、鋸歯状の駆動信号（破線）の波形を適宜補正した駆動信号（太線）を付与して、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０をａ軸を中心として回動させることで、回動速度に適宜速度差を出させて、図６(ｄ)で示すように、スクリーンＳＣ上において垂直走査速度が略一定となるように調整する。
次に、垂直走査方向に係る走査速度の補正方法について具体例を挙げつつ説明する。
図７は、垂直走査方向に係る走査速度を補正する垂直駆動信号回路１２２Ｖの機能構成を示すブロック図であり、図８は駆動信号の波形を示す図である。なお、垂直駆動信号回路１２２Ｖは、偏向制御回路１２２に含まれる機能として実現される。
垂直駆動信号回路１２２Ｖは、駆動信号発生部Ｖ１、高調波除去部Ｖ２、補正信号発生部Ｖ３、加算部Ｖ４、および垂直駆動回路Ｖ５を備えている。
駆動信号発生部Ｖ１は、スクリーンＳＣ上に投射されるレーザー光を一定速度で走査させる、すなわちリニア走査させようとして、２次元偏向部１３２に付与する鋸歯状の波形を有する駆動信号（図８(ａ)）を発生させ、高調波除去部Ｖ２に出力する。図８(ａ)で示す鋸歯状の波形を有する駆動信号（以下「鋸歯状駆動信号」とも称する）は、線形的に信号強度が増加する期間（リニア期間）を有している。
高調波除去部Ｖ２は、駆動信号発生部Ｖ１からの駆動信号（図８(ａ)）から不要な高調波成分を除去した信号（図８(ｂ)）を生成し、加算部Ｖ４に出力する。図８(ｂ)で示す高調波を除去した後の駆動信号の波形は、鈍ってしまい、リニア期間が短くなる。通常は、図８(ｂ)で示すような駆動信号が２次元偏向部１３２に印加され、リニア期間を各フレームの画像を表示する期間（表示期間）に充当するが、ここでは、垂直走査速度を略一定とするために、駆動信号の補正を行う。なお、高調波除去部Ｖ２における高調波の除去方法については更に後述する。
補正信号発生部Ｖ３は、垂直走査方向に沿った走査速度を補正して垂直走査速度を略一定とするための補正信号（図８(ｃ)）を発生させ、加算部Ｖ４に出力する。なお、補正信号の波形は、予め光学設計上で垂直走査方向における走査速度が判明するため、この垂直走査速度の変動をキャンセルするような波形とすれば良い。
加算部Ｖ４は、高調波除去部Ｖ２からの信号（図８(ｂ)）に対し、補正信号発生部Ｖ３からの補正信号（図８(ｃ)）を加算した信号（図８(ｄ)）を生成し、垂直駆動回路Ｖ５に出力する。例えば、図８(ｄ)で示すように、駆動信号のうち、表示期間に相当するリニア期間の波形が非線形となるように調整される。
垂直駆動回路Ｖ５は、加算部Ｖ４からの信号（図８(ｄ)）に従って、２次元偏向部１３２に対し、ａ軸を中心とした回動に必要な電圧（または電流）を出力する。
ここで、ａ軸を中心とした偏向走査ミラー１０の回動のみに着目すると、例えば、図２の上方の１組の圧電素子５１，５３に、図８(ｄ)で示す信号をそのまま印加し、図２の下方の１組の圧電素子５２，５４とに、図８(ｄ)で示す信号の逆位相の信号を印加すれば良い。なお、圧電素子５１〜５４には、正極と負極の端子が設けられ、図８(ｄ)で示す信号の電位が適宜印加される。
但し、実際には、垂直駆動回路Ｖ５から出力された電圧（または電流）は、重畳部１２２Ｌにおいて、水平駆動信号回路１２２Ｈから出力される２次元偏向部１３２のｂ軸を中心とした回動に必要な電圧（または電流）と重畳されて、２次元偏向部１３２、すなわち圧電素子５１〜５４に印加される。なお、水平駆動信号回路１２２Ｈについては、水平走査方向に係る歪みの補正を説明する際に、具体的に説明する。
このようにして、ａ軸を中心として偏向走査ミラー１０を回動させるための駆動信号を調整して、垂直走査方向の走査速度の補正を行うと、垂直走査方向に係る等速性が確保される。なお、ここでは、補正信号によってａ軸を中心として偏向走査ミラー１０を回動させるための駆動信号を調整したが、これに限られず、適宜演算によってａ軸を中心として偏向走査ミラー１０を回動させるための駆動信号を調整しても良い。
ここで、高調波除去部Ｖ２における高調波の除去について説明する。
図９は、高調波除去部Ｖ２における高調波の除去を説明するための図である。図９では、横軸が周波数を示し、周波数がｆｖである鋸歯状の波形を有する駆動信号（以下「鋸歯状駆動信号」とも称する）における周波数成分の強度（振幅）と、２次元偏向部１３２に付与する駆動周波数とａ軸を中心とした最大回動角度との関係（曲線Ｌｄ）と、高調波除去部Ｖ２におけるフィルタ特性（曲線Ｆｓ）とが示されている。
図９で示すように、鋸歯状駆動信号は、幅広い周波数範囲ＮＳで、基本の周波数ｆｖから高次の高調波の成分まで有している。
そして、図９の曲線Ｌｄで示すように、２次元偏向部１３２は、周波数がｆｖである鋸歯状駆動信号が有する高調波の成分のうち、該２次元偏向部１３２の機械的な共振周波数ｆｖｏの近傍にある高調波の成分に対して特に応答する。このため、２次元偏向部１３２のａ軸を中心とした回動にいわゆるリンギングが発生し、スクリーンＳＣ上のレーザー光線の垂直走査においてもリンギングが発生し、垂直走査の等速性の劣化を招く。また、機械的な共振周波数ｆｖｏ以上の周波数の高調波の成分は２次元偏向部１３２の駆動に悪影響を及ぼしても、良好な影響は及ぼさない。よって、機械的な共振周波数ｆｖｏの近傍にある高調波の成分、およびその高調波の成分を超える高次の高調波を除去することが必要となる。
但し、この高調波の成分の除去により、鋸歯状駆動信号が鈍って、信号強度が線形的に変化する期間（リニア期間）が短くなる（図８(ｂ)）。このリニア期間の短縮化によって垂直走査が略一定速度で行われる期間が制限される、すなわち１フレームの画像を表示する期間（表示期間）が制限される。この制限の度合いは、機械的な共振周波数ｆｖｏの高低によって左右される。そして、比較的長いリニア期間が得られる良好なケースが得られるためには、鋸歯状駆動信号の周波数ｆｖの約１０倍以上の高調波が除去されるように設計すれば良い。つまり、垂直走査速度が略一定となるリニア期間をある程度確保するためには、除去する高調波の次数の範囲は、目安として１０以上（具体的にはｍ＝１０以上）であれば良い。
したがって、高調波除去部Ｖ２の構成は、例えば、鋸歯状駆動信号から、機械的な共振周波数ｆｖｏ近傍（特にｆｖｏの前後）の高調波ｍｆｖ、（ｍ＋１）ｆｖを除去し、機械的な共振周波数特性を打ち消すような特性（遮断特性）を持つフィルタ（ノッチフィルタ、図９の曲線Ｆｓのうちａ，ｂ部）と、それ以上の高次の高調波の成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ、図９の曲線Ｆｓのうちｃ部）のフィルタ特性を併せ持っている。
なお、機械的な共振周波数ｆｖｏの近傍にある高調波の成分とそれ以上の高次の高調波の成分を除去し、かつリニア期間をできるだけ長く確保した波形信号をデジタルデータとしていったん生成して記憶しておき、補正信号を加算した後に、デジタルデータからアナログデータへの変換（Ｄ／Ａ変換）を行い、垂直駆動回路Ｖ５に出力するような構成を採用しても良い。
＜(補正項目III)水平走査方向に係る歪み＞
通常、使い勝手を考慮すると画像投影装置は、図３で示すように、垂直方向に傾けた状態で設置されてスクリーンＳＣに対して画像を投影することが多い。一般に、スクリーンＳＣに対して斜めに投影すると、投影画像の上下の幅が異なるいわゆる台形歪みが発生してしまう。また、条件によっては、図２５(ａ)で示したような糸巻き状の歪みが発生することもある。このような投影画像の垂直方向に沿った画素列（以下「縦線」とも称する）の曲がり（すなわち歪み）に関しても、補正を行うことは、上述したように、投影画像の明るさや解像度を向上させる上で好ましい。
水平走査方向に係る歪みの補正については、投影光学系１３１の特性による補正と、２次元偏向部１３２の駆動制御による補正との両方によって実現する方法が考えられる。しかしながら、上記特許文献１で記載されたように投影光学系１３１の特性による補正を行おうとすると、投影光学系１３１の大型化を招いてしまうが、画像投影装置１００の小型化を図る上では、投影光学系１３１を小型とする方が好ましい。このため、画像投影装置１００では、わずかな回路を付加することで、２次元偏向部１３２の駆動制御によって水平走査方向に係る歪みの補正を実現している。
まず、水平走査方向に係る歪みの補正方法の原理について簡単に説明する。
２次元偏向部１３２の駆動制御によって水平走査方向に係る歪みを補正する場合は、水平走査方向に係る歪みの程度に対応させて、２次元偏向部１３２のａ軸を中心とした回動の変位量、すなわちスクリーンＳＣ上における垂直走査の位置に応じて、水平走査のための駆動信号の電圧を変調して振幅を変化させる。このような制御により、投影画像の明るさの低下を招くことなく、投影画像における台形歪みや糸巻き状の歪みを自在に補正することができる。
このような制御を実現させるには、水平走査方向に係る偏向走査ミラー１０の共振駆動の電圧を動的に変えても偏向走査ミラー１０が追従して駆動することが重要である。
ここで、水平走査方向に係る歪みの補正方法について具体例を挙げつつ説明する。
図１０は、水平走査方向に係る歪みを補正する水平駆動信号回路１２２Ｈの機能構成を示すブロック図であり、図１１は駆動信号の波形を示す図である。なお、図１０で示す水平駆動信号回路１２２Ｈは、偏向制御回路１２２に含まれる機能として実現される。また、ここでは、一例として、水平走査方向に係る歪みが、いわゆる台形歪みである場合について示しており、図１１で示す駆動信号の波形は、いわゆる台形歪みを補正する場合のものを例示している。
水平駆動信号回路１２２Ｈは、駆動信号発生部Ｈ１、補正信号発生部Ｈ２、掛算部Ｈ３、および水平駆動回路Ｖ４を備えている。
駆動信号発生部Ｈ１は、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０を高速で共振駆動させるために、偏向走査ミラー１０の機械的な共振周波数に合わせた一定の周波数ならびに一定の振幅を有する正弦波の駆動信号（図１１(ａ)）を発生させ、掛算部Ｈ３に出力する。
補正信号発生部Ｈ２は、水平走査のための駆動信号の電圧を変調するための補正信号（図１１(ｃ)）を発生させ、掛算部Ｈ３に出力する。なお、補正信号の波形は、予め光学設計上で水平走査方向に係る歪みが判明するため、この水平走査方向に係る歪みをキャンセルするような波形とすれば良い。図１１(ｃ)で示す補正信号では、投影画像の上方の幅が下方の幅よりも相対的に大きくなっている台形歪みを補正するために、各フレームの画像をスクリーンＳＣに投影して表示する期間（表示期間）で、電位が徐々に増大している。なお、図１１(ｃ)で示す補正信号では、いわゆる帰線期間で、表示期間において増大した電位が元に戻る。
掛算部Ｈ３は、駆動信号発生部Ｈ１からの正弦波の駆動信号（正弦波駆動信号、図１１(ａ)）に対して、補正信号発生部Ｈ２からの補正信号（図１１(ｃ)）を乗算した信号（ＡＭ波信号、図１１(ｄ)）を生成し、水平駆動回路Ｈ４に出力する。より詳細には、掛算部Ｈ３の乗算により、正弦波の駆動信号（図１１(ａ)）の振幅は、補正信号（図１１(ｃ)）によって変調されて、表示期間において正弦波の振幅が徐々に増大する、いわゆるエンベロープが付与されたＡＭラジオ波のような波形を有する駆動信号が生成される。これにより、水平走査方向に係る歪みに応じて、各フレームの画像の表示期間においてｂ軸を中心として偏向走査ミラー１０を反復回動させるための正弦波の駆動信号の振幅に強弱を付与する。
水平駆動回路Ｈ４は、掛算部Ｈ３からのＡＭ波信号（図１１(ｄ)）に従って、２次元偏向部１３２に対し、ｂ軸を中心とした回動に必要な電圧（または電流）を出力する。
ここで、ｂ軸を中心とした偏向走査ミラー１０の回動のみに着目すると、例えば、図２の左方の１組の圧電素子５１，５２に、図１１(ｄ)で示すＡＭ波信号をそのまま印加し、図２の右方の１組の圧電素子５３，５４に、図１１(ｄ)で示すＡＭ波信号の逆位相の信号を印加すれば良い。
但し、実際には、水平駆動回路Ｈ４から出力された電圧（または電流）は、重畳部１２２Ｌにおいて、上述した垂直駆動信号回路１２２Ｖから出力される２次元偏向部１３２のａ軸を中心とした回動に必要な電圧（または電流）と重畳されて、２次元偏向部１３２、すなわち圧電素子５１〜５４に印加される。
このようにして、ｂ軸を中心として偏向走査ミラー１０を回動させるための駆動信号の振幅に強弱を付与すると、例えば、図１２(ａ)で示す台形歪みが、図１２(ｂ)で示すように、スクリーンＳＣ上における水平走査の幅が略一定となり、水平走査方向に係る歪みが補正される。なお、ここでは、補正信号によってｂ軸を中心として偏向走査ミラー１０を回動させるための駆動信号の振幅に強弱を付与したが、これに限られず、適宜演算によってｂ軸を中心として偏向走査ミラー１０を回動させるための駆動信号に強弱を付与しても良い。
なお、駆動信号発生部Ｈ１において図１１(ｂ)で示すような矩形波（パルス波）を発生させて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）と言われる変調方法を用いて、図１１(ｅ)で示すように、矩形波のデューティー比を変化させて変調しても、上述したエンベロープが付与された駆動信号（図１１(ｄ)）と同様な作用を生じさせることができる。
次に、補正信号によって付与されたエンベロープを有する駆動信号の振幅の変化に対する水平走査の幅の追従について説明する。
図１３は、図１１(ｃ)で示す補正信号の周波数成分の強度（振幅）を示す図である。図１３で示すように、図１１(ｃ)で示す補正信号の周波数帯域ｆｃは、一般に、垂直同期信号の周波数ｆｖの基本波と、その高調波群からなる周波数成分を有する。
ここで、仮に、ある特定の水平走査方向に係る歪みを補正するための補正信号が、基本波の周波数ｆｖのｎ倍までの周波数成分を有し、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０が、機械的な共振周波数ｆｏｍで駆動されているものとする。このような条件では、補正信号によるエンベロープの制御は、共振周波数の正弦波駆動信号（図１１(ａ)）に対して、補正信号（変調波信号、図１１(ｃ)）で振幅変調をかけたＡＭ波信号（図１１(ｄ)）を２次元偏向部１３２に印加してその応答、すなわちエンベロープが付与された機械的な振動を得る処理とみなすことができる。
図１４は、ＡＭ波信号（図１１(ｄ)）の周波数成分の強度を示す図である。図１４で示すように、補正信号（図１１(ｃ)）の周波数成分は、ＡＭ波信号の側波帯、具体的には機械的な共振周波数ｆｏｍを中心とした高周波数側に幅ｆｃおよび低周波数側に幅ｆｃの周波数帯域２ｆｃとして現れる。そして、ＡＭ波信号は、偏向走査ミラー１０の機械的な共振特性によって、側波帯のフィルタリング、すなわち周波数成分の強度の低下や除去を受ける。このため、単純に、図１１(ｃ)で示した補正信号によってエンベロープを付与しようとすると、機械的な振動におけるエンベロープの形状は補正信号を一種のローパスフィルタに通して乗算したような鈍った形状となってしまう。つまり、このままでは、水平走査方向に係る歪みの補正の効果は、偏向走査ミラー１０のｂ軸を中心とした回動における機械的な共振特性の影響（機械的な振動におけるエンベロープが鈍った変形の影響）を受けることになる。なお、図１４では、ローパスフィルタの特性、すなわち機械的な共振特性を曲線ＦＳ１で示している。
ここで、２次元偏向部１３２に付与する駆動信号の振幅を動的に変化させた場合の偏向走査ミラー１０の駆動の追従性を向上させる手法、具体的には、機械的な振動におけるエンベロープの変形を抑制する手法としては、以下のような手法が挙げられる。
まず、図１４の曲線ＦＳ１で示す、偏向走査ミラー１０のｂ軸を中心とした回動における機械的な共振特性をキャンセルするようなバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）によるフィルタ処理や振幅の増幅を行う手法などが挙げられる。
また、機械的な振動におけるエンベロープの変形を抑制する他の手法としては、偏向走査ミラー１０のｂ軸を中心とした回動における機械的な共振特性の品質係数Ｑを比較的低く設定する手法も考えられる。以下、品質係数Ｑを用いた手法について簡単に説明する。
一般に共振特性の品質係数Ｑは、偏向走査ミラー１０のｂ軸を中心とした回動における機械的な共振周波数ｆｏｍと、この共振周波数ｆｏｍに対して機械的な共振特性によって周波数成分の強度の低下が３ｄＢ以内となる周波数帯域（−３ｄＢ通過周波数帯域）ｆｂ’とによって、下式（１）によって概算される。
Ｑ≒ｆｏｍ／ｆｂ’・・・（１）
また、側波帯の保存の要請により、側波帯の周波数帯域２ｆｃを−３ｄＢ通過周波数帯域ｆｂ’に納めると、下式（２）が成立する。
２ｆｃ＝ｆｂ’・・・（２）
よって、上式（１），（２）より、偏向走査ミラー１０のｂ軸を中心とした機械的な共振周波数ｆｏｍと品質係数Ｑと補正信号の周波数帯域ｆｃとの間には、下式（３）の関係が成立する。
ｆｃ≒ｆｏｍ／（２Ｑ）・・・（３）
また、補正信号の周波数帯域ｆｃが比較的広い場合（例えば、時間に対して急峻な歪みの補正が必要である場合など）には、機械的な共振周波数ｆｏｍについては画像信号の規格によってほぼ決まるため、増加の自由度が少ないことを考慮すれば、上式（１）より、品質係数Ｑを小さくして、−３ｄＢ通過周波数帯域ｆｂ’を広げれば良い。
但し、品質係数Ｑを過度に小さくし過ぎると、共振における感度の低下や外乱などによって共振機械振動が歪み易くなるため好ましくない。このため、このような場合には、上述したＢＰＦや増幅などを利用した手法を併用すれば良い。
このようにして、共振の帯域を増やすような回路構成とすることで、駆動信号の振幅の変調に対して、偏向走査ミラー１０の駆動を良好に追従させることができる。
＜(補正項目IV)垂直走査方向に係る歪み＞
スクリーンＳＣ上でレーザー光のスポットを水平走査する際に、横線すなわち走査線が弓なりになる等の曲がりを生じる場合がある。この走査線の曲がりは、投影画像において垂直走査方向の歪みとして現出する。以下、垂直走査方向に係る歪みの補正手法について説明する。
垂直走査方向に係る歪みの補正手法としては、２次元偏向部１３２の駆動を適宜調整することで、走査線の曲がりを補正することが考えられる。しかしながら、１本の走査線に対応する水平走査を実現するためのｂ軸を中心とした偏向走査ミラー１０の回動の途中で、ａ軸を中心とした偏向走査ミラー１０の回動によって適宜走査線の曲がりを調整することは、ｂ軸を中心とした偏向走査ミラー１０の回動が非常に高速駆動で行われることを考慮すると、非現実的である。また、上述したように、画像処理を用いた補正は、解像度の低下を招くために好ましくない。
そこで、本実施形態に係る画像投影装置１００では、投影光学系１３１の形状を適宜調整することで、垂直走査方向に係る歪みを補正し、高解像度の投影画像を実現する。
より詳細には、投影光学系１３１の第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２の反射面の形状を自由曲面を用いて、各部分の歪みを各々補正する。第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２の反射面に自由曲面を採用することは、画像投影装置１００の製造コストの若干の上昇を招くようにも思われるが、例えば、第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２を成形部品として作成すると、研磨によって形成される球面部品と比較して、製造コストが安価となる。
なお、投影光学系１３１に求められる条件は、等速性と結像性能の両方を投影画像の全領域にわたって良好に実現することである。この等速性と結像性能といった２つの制約を満足するためには、スクリーンＳＣの形状が平面などといった具合に形状設計に自由度がなければ、少なくとも２つの反射ミラーで等速性と結像性能とが調整されることが好ましい。そこで、本実施形態に係る画像投影装置１００では、第１および第２投影ミラーＭ１，Ｍ２を備えている。
＜光学機構部の具体例＞
第１実施形態についての具体的な数値実施例を下記（表１）に示す。
Figure 2008249797
表１(Ａ)は、各色のレーザ素子のレーザー光の射出位置を「物体」とし、ここから順に、入射光学系（ここでは、アナモルフィックレンズＡＬ）の「レンズ入射面」と「レンズ射出面」、「瞳」、２次元偏向部１３２の「偏向走査ミラー１０」、投影光学系１３１での「第１投影ミラーＭ１」、「第２投影ミラーＭ２」、および「スクリーンＳＣ」の各光学系の表面（光学面）に関して、それぞれ「面タイプ」「Ｙ方向曲率半径（曲率半径(Ｙ)、［単位：ｍｍ］）」「Ｙ方向円錐定数（円錐定数(Ｙ)）」「材料」「Ｘ方向曲率半径（曲率半径(Ｘ)［単位：ｍｍ］」、「Ｘ方向円錐定数（円錐定数(Ｘ)）」を示している。
表１(Ｂ)は、瞳を基準とした各光学面の面頂点座標をグローバル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で示し、さらに各光学面についてローカル座標系のＸ軸に対する傾き角度（度）を示している。
表１(Ｃ)は、第１投影ミラーＭ１および第２投影ミラーＭ２の自由曲面データを示す。自由曲面は、面頂点を原点としたローカル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた下式（４）で表現できる。
Ｚ＝（Ｃ０・Ｈ２）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）Ｃ０２Ｈ２｝］＋Σ｛Ａｊｋ・ＸjＹk｝・・・（４）
ここで、Ｚは、高さＨの位置でのＺ軸方向の変位量（面頂点基準）、Ｈは、Ｚ軸に対して垂直な方向の高さ（Ｈ２＝Ｘ２＋Ｙ２）、Ｃ０は面頂点での曲率、Ｋは円錐定数、ＡｊｋはＸの次数ｊとＹの次数ｋに対応した自由曲面係数である。表１（Ｃ）において、例えば、Ｘ２Ｙ０は、Ｘの次数ｊ＝２、Ｙの次数ｋ＝０を表しており、これに対応した係数Ａｊｋは、５．１０７２×１０-3（第１投影ミラー），３．４４２９×１０-2（第２投影ミラー）となる。他の係数についても同様である。
表１(Ｄ)は、２次元偏向部１３２の水平走査方向および垂直走査方向についての回動角度範囲、すなわち走査角度範囲（Ｈ走査機械角度、Ｖ走査機械角度）と時間利用率（Ｈ方向時間利用率、Ｖ方向時間利用率）とを示している。
＜補正方法のまとめと作用効果＞
第１実施形態に係る画像投影装置１００では、図１５で示すように、水平走査方向に係る等速性、および垂直走査方向に係る歪みについては、投影光学系１３１の光学面の形状を利用した補正（以下「光学補正」とも称する）を施す。一方、水平走査方向に係る歪み、および垂直走査方向に係る等速性については、２次元偏向部１３２の駆動制御による補正（以下「偏向走査駆動補正」とも称する）を施す。
図１６は、光学補正および偏向走査駆動補正の結果を模式的に示す図である。図１６では、投影すべき画像において格子状に再現されるべき点を黒丸で示すとともに、その黒丸が水平走査線および垂直走査線にそれぞれ沿って線で結ばれている。具体的には、図１６(ａ)は、光学補正も偏向走査駆動補正も全く施されることなく、単に水平走査に係る共振駆動と垂直走査に係るリニア駆動とが２次元偏向部１３２で行われた場合に、スクリーンＳＣに投影される画像の状態の一例を模式的に示している。図１６(ｂ)は、水平走査方向に係る等速性、および垂直走査方向に係る歪みについて光学補正が施された場合に、スクリーンＳＣに投影される画像の状態の一例を模式的に示している。図１６(ｃ)は、水平走査方向に係る等速性、および垂直走査方向に係る歪みについて光学補正が施された上に、水平走査方向に係る歪み、および垂直走査方向に係る等速性について偏向走査駆動補正が施された場合に、スクリーンＳＣに投影される画像の状態の一例を模式的に示している。
図１６(ａ)〜（ｃ）で示すように光学補正および偏向走査駆動補正によって、スクリーンＳＣに投影される投影画像が、歪みがなく高解像度のものとなる。
図１７は、ある条件下で、水平走査方向に係る等速性、および垂直走査方向に係る歪みについて光学補正が施された場合に、スクリーンＳＣに投影される画像の状態の一例を模式的に示している。そして、図１８は、図１７の中央の水平走査線ＳＬ上における水平走査の速度分布を示す図であり、図１８では、水平走査線の略中央部における速度が基準値１として規格化されて示されている。図１８で示すように、光学補正により水平走査方向の位置に拘わらず水平走査速度の変動が±１０％以内に抑制される。
このように、水平走査方向に係る等速性、および垂直走査方向に係る歪みについて光学補正を施した場合には、上表１(Ｄ)で示したように、２次元偏向部１３２の水平走査方向に係る時間利用率（Ｈ方向時間利用率）が７５％と非常に大きいにも拘わらず、水平走査方向に係る等速性と垂直走査方向に係る歪みとが良好に補正される。更に、第１実施形態に係る画像投影装置１００では、垂直走査方向に係る等速性および水平走査方向に係る歪みに対して偏向走査駆動補正を施すことで、図１６（ｃ）でも示したように、歪みが抑制されて解像度も優れた高品質の投影画像が得られる。
以上のように、第１実施形態に係る画像投影装置１００では、投影光学系１３１を構成する光学面の形状により、スクリーンＳＣ上における水平走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正と、スクリーンＳＣ上における垂直走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正とを行う。その一方で、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０におけるａ軸を中心とした回動を制御することで、スクリーンＳＣ上における垂直走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正と、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０におけるｂ軸を中心とした回動を制御することで、スクリーンＳＣ上における水平走査方向に沿った画像の歪みを抑制する補正とを行う。このように、偏向走査駆動補正を採用することで、投影光学系１３１の小型化を図ることができるため、小型でありながら高画質の画像を投影することができる。
＜第２実施形態＞
第１実施形態に係る画像投影装置１００では、レーザー光が反射される度に、＋ｙ方向に光線分離され、水平走査方向に係る歪みの補正方法として偏向走査駆動補正が採用された。これに対して、第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａでは、第１実施形態に係る画像投影装置１００とは光線分離の形式が異なり、水平走査方向に係る歪みの補正方法として光学補正が採用されている。
以下、第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａについて説明するが、第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａは、第１実施形態に係る画像投影装置１００と比較して、機能構成がほぼ同様であるため、同様な部分について同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について主に説明する。
＜光学機構部の構成＞
第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａでは、第１実施形態に係る画像投影装置１００の光学機構部１３０の構成のうち、特に投影光学系１３１が投影ミラーの配置および形状を異ならせた投影光学系１３１Ａとされて、光学機構部１３０Ａを構成している。
図１９は、光学機構部１３０Ａの概略構成を示す図である。図１９では、光源１３３側からスクリーンＳＣへ向けた光束の光路を側方から見た模式図が示されており、図１９では、方位関係を明確化するためにｘｙｚの直交する３軸が付されている。なお、図１９では、光路を模式的に示しているが、第１実施形態と同様に、実際には、領域ＲＰ（図中で破線で囲まれた領域）付近で、図５で示すように、反射ミラーＭｒ（後述）により、光源１３３側の光路は図面に対して垂直な方向に向けられている。また、図１９では、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０の回動により３つの異なる角度に光束が偏向された光路が便宜的に記載されている。
光学機構部１３０は、光源１３３側から順に、各色のレーザー素子（不図示）、各色のコリーメータレンズ（不図示）、プリズムＤＰ、アナモルフィックレンズＡＬ、反射ミラーＭｒ、２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１Ａ、第２投影ミラーＭ２Ａを備えて構成される。
図５で示すように、射出面ＡＬｂから射出される光束Ｐ１は、反射ミラーＭｒで反射されて約９０°だけ射出方向が変更された光束Ｐ２として２次元偏向部１３２に対し入射される。
２次元偏向部１３２では、適宜偏向走査ミラー１０が２つの軸（ａ軸とｂ軸）を中心として適宜回動することで、光束Ｐ２が偏向されて光束Ｐ３として第１投影ミラーＭ１Ａに入射される。
第１投影ミラーＭ１Ａと第２投影ミラーＭ２Ａは、投影光学系１３１Ａを構成し、２次元偏向部１３２からの光束Ｐ３は第１投影ミラーＭ１Ａで反射されて射出方向が変更された光束Ｐ４とされ、更に光束Ｐ４は、第２投影ミラーＭ２Ａで反射されて射出方向が変更された光束Ｐ５とされて、スクリーンＳＣに対して投影される。
ここで、２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１Ａ、および第２投影ミラーＭ２Ａは、それぞれ反射した光束を遮らないように配置される、光線分離が施されている。より詳細には、画像の短辺に沿った方向に２次元偏向部１３２、第１投影ミラーＭ１Ａ、および第２投影ミラーＭ２Ａが相互にずらされて、そのずらされた分だけ角度も調整されて配置されている。
また、図１９で示すように、レーザー光が光源１３３から射出される際と同じ態様を示すことで形成される光像（以下「光源像」とも称する）ＳＰが、第１投影ミラーＭ１Ａと第２投影ミラーＭ２Ａとの間の光路に存在するように設定されている。また、レーザー光が２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０で反射される際と同じ態様を示すことで形成される光像（以下「瞳像」とも「ＭＥＭＳ像」とも称する）ＭＰが、第２投影ミラーＭ２ＡとスクリーンＳＣとの間の光路に存在するように設定されている。
また、第１および第２投影ミラーＭ１Ａ，Ｍ２Ａの双方ともに正のパワーを有する自由曲面の反射面を有する。反射面を形成する自由曲面の具体的な形状については後述する。
より詳細には、第１および第２投影ミラーＭ１Ａ，Ｍ２Ａの反射面が、水平走査方向に対応する方向に沿って、周辺に向かうほど正のパワーが強くなるように構成されている。
図２０は、投影光学系１３１Ａの水平走査方向に対応する方向に沿った特性を示す概念図である。図２０では、２次元偏向部１３２からスクリーンＳＣまでの水平走査方向に沿った断面の光路を模式的に示している。実際には、２次元偏向部１３２および投影光学系１３１Ａともに光を反射する光学系（反射光学系）であるが、図２０では、図面と説明とを簡略化するために光を透過させる光学系（透過光学系）であるものとして示されている。
上述したように、投影光学系１３１Ａの水平走査方向に対応する方向に沿って、周辺に向かうほど正のパワーが強くなる場合には、図２０で示すように、投影光学系１３１Ａに入射される光線は、投影光学系１３１Ａによって周辺に近づくほど大きく偏向される。その結果、水平走査方向に係る偏向走査ミラー１０の回動は共振駆動すなわち正弦波駆動であるために、２次元偏向部１３２によるレーザー光の単位時間当たりの偏向角が非等間隔であるが、投影光学系１３２の特性によって、レーザー光の単位時間当たりの偏向角が等間隔となり、スクリーンＳＣ上においては、レーザー光の走査速度は略等速となる。
そして、図１９で示すように、第２実施形態に係る画像投影装置２００Ａでは、２次元偏向部１３２から見て、第１および第２投影ミラーＭ１Ａ，Ｍ２Ａが、上下（ｙ座標について正側および負側）にそれぞれ配置されている。このため、２次元偏向部１３２に入射する光束と、第１投影ミラーＭ１Ａから第２投影ミラーＭ２Ａに向かう光束とが交差するような構成となっている。このように光束が交差するような構成を採用すると、同じ空間領域を２回使用して光路を形成していることになるため、光路を形成する空間の体積を効率良く利用していると言える。このため、第２実施形態に係る画像投影装置２００Ａの光学機構部１３０Ａは、第１実施形態に係る画像投影装置２００の光学機構部１３０よりも小型化することができる。つまり、光学機構部の小型化、ひいては画像投影装置の小型化を図る上では、光学機構部で光束が交差するような構成を採用することが好ましい。
また、上述したように、２次元偏向部１３２と第１および第２投影ミラーＭ１Ａ，Ｍ２Ａとによって構成される光を反射する光学系（反射光学系）は、光線分離を行って配置する必要がある。そして、２次元偏向部１３２は光源１３３からの光を２次元的に偏向するため、２次元偏向部１３２から第２投影ミラーＭ２Ａにかけて単に光束を反射するだけでは、２次元偏向部１３２から離隔するほど、光束の幅および光束が通過する領域が大きくなってしまう。したがって、例えば、上記特許文献１の実施例で採用されているような投影光学系では、光束ならびに光束が通過する領域全体が肥大化するため、光学系の大型化を招く。そこで、反射光学系を用いながら、小型の投影光学系を実現するためには、上述したように、光源像ＳＰが反射光学系の光路中、例えば第１投影ミラーＭ１Ａと第２投影ミラーＭ２Ａとの間の光路に存在することが好ましい。
レーザー光が収束する光源像が、反射光学系の光路中に存在すると、その部分で一端光束が収束して細くなるため、２次元偏向部１３２から離隔するほど、光束の幅および光束が通過する領域が大きくはならない。このため、光源像ＳＰを形成した後の光束を反射する反射光学系の小型化を図ることができる。具体的には、第２実施形態に係る画像投影装置２００Ａでは、特に第２投影ミラーＭ２Ａの小型化を図ること、ひいては光学機構部１３０Ａおよび画像投影装置２００Ａの小型化も図ることが可能となり、好ましい。
＜水平走査方向に係る歪みの補正＞
第２実施形態に係る画像投影装置２００Ａでは、水平走査方向に係る歪みの補正を、投影光学系１３１Ａの反射面の形状によって補正する光学補正が採用されている。この水平走査方向に係る歪みの光学補正を実施するために、第１および第２投影ミラーＭ１Ａ，Ｍ２Ａのうちの何れか一方、又は両方において、水平走査方向に対応する方向に沿って光学特性（具体的には正のパワー）が異なるような反射面（自由曲面）を採用する必要がある。
＜光学機構部の具体例＞
第２実施形態についての具体的な数値実施例を下記（表２）に示す。
Figure 2008249797
表２(Ａ)は、表１(Ａ)と同様に、「物体」「レンズ入射面」「レンズ射出面」「瞳」、２次元偏向部１３２の「偏向走査ミラー１０」、「第１投影ミラーＭ１Ａ」、「第２投影ミラーＭ２Ａ」、および「スクリーンＳＣ」の各光学面に関して、それぞれ「面タイプ」「Ｙ方向曲率半径（曲率半径(Ｙ)、［単位：ｍｍ］）」「Ｙ方向円錐定数（円錐定数(Ｙ)）」「材料」「Ｘ方向曲率半径（曲率半径(Ｘ)［単位：ｍｍ］」、「Ｘ方向円錐定数（円錐定数(Ｘ)）」を示している。
表２(Ｂ)は、表１(Ｂ)と同様に、瞳を基準とした各光学面の面頂点座標をグローバル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で示し、さらに各光学面についてローカル座標系のＸ軸に対する傾き角度（度）を示している。
表２(Ｃ)は、表１(Ｃ)と同様に、第１投影ミラーＭ１Ａおよび第２投影ミラーＭ２Ａの自由曲面データを示す。
表２(Ｄ)は、表１(Ｄ)と同様に、２次元偏向部１３２の水平走査方向および垂直走査方向についての回動角度範囲、すなわち走査角度範囲（Ｈ走査機械角度、Ｖ走査機械角度）と時間利用率（Ｈ方向時間利用率、Ｖ方向時間利用率）とを示している。
＜補正方法のまとめと作用効果＞
第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａでは、図２１で示すように、水平走査方向に係る等速性、垂直走査方向に係る歪み、および水平走査方向に係る歪みについては、投影光学系１３１Ａの光学面の形状を利用した補正（光学補正）を施す。一方、垂直走査方向に係る等速性については、２次元偏向部１３２の駆動制御による補正（偏向走査駆動補正）を施す。
図２２は、光学補正の結果を例示する模式図である。図２２では、投影すべき画像において格子状に再現されるべき点を黒丸で示すとともに、その黒丸を水平走査線および垂直走査線に沿って線で結んでいる。図２２で示すように、光学補正により、垂直走査方向に係る等速性を除いて、スクリーンＳＣに投影される投影画像が、歪みがなく高解像度のものとなる。
図２３は、ある条件下で、水平走査方向に係る等速性、垂直走査方向に係る歪み、および水平走査方向に係る歪みについて光学補正を施した場合に、スクリーンＳＣに投影される画像の状態の一例を模式的に示している。そして、図２４は、図２３の中央の水平走査線ＳＬ’上における水平走査の速度分布を示す図であり、水平走査線の略中央部における速度が基準値１として規格化されて示されている。図２４で示すように、光学補正により水平走査方向の位置に拘わらず水平走査速度の変動が、ほとんど無視することが出来る程度まで抑制される。
このように、水平走査方向に係る等速性、垂直走査方向に係る歪み、および水平走査方向に係る歪みについて光学補正を施した場合にも、上表２(Ｄ)で示したように、２次元偏向部１３２の水平走査方向に係る時間利用率（Ｈ方向時間利用率）が７５％と非常に大きいにも拘わらず、水平走査方向に係る等速性と垂直および水平走査方向に係る歪みとが良好に補正される。更に、第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａでは、垂直走査方向に係る等速性に対して偏向走査駆動補正が施されることで、図１６（ｃ）でも示したように、歪みがなく解像度も優れた高品質の投影画像が得られる。
以上のように、第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａでは、投影光学系１３１を構成する光学面の形状により、スクリーンＳＣ上における水平走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正と、スクリーンＳＣ上における垂直走査方向に沿った投影画像の歪みを抑制する補正と、スクリーンＳＣ上における垂直走査方向に沿った投影画像の歪みを抑制する補正とを行う。その一方で、２次元偏向部１３２の偏向走査ミラー１０におけるａ軸を中心とした回動を制御することで、スクリーンＳＣ上における垂直走査方向に沿った光束の走査速度を略一定に維持する補正を行う。このように、偏向走査駆動補正を採用することで、投影光学系１３１Ａの小型化を図ることができるため、小型でありながら高画質の画像を投影することができる。
＜変形例＞
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は上記説明した内容のものに限定されるものではない。
◎例えば、上記第１実施形態では、水平走査方向に係る歪みの補正および垂直走査方向に係る等速性の補正の双方について、偏向走査駆動補正を採用し、第２実施形態では、水平走査方向に係る歪みの補正および垂直走査方向に係る等速性の補正のうちの垂直走査方向に係る等速性の補正についてのみ、偏向走査駆動補正を採用した。しかしながら、これに限られず、例えば、水平走査方向に係る歪みの補正および垂直走査方向に係る等速性の補正のうちの少なくとも何れか一方について、偏向走査駆動補正を採用すれば、投影光学系の小型化、ひいては画像投影装置の小型化を図ることができる。但し、投影光学系の形状の簡略化を図り、投影光学系の小型化、ひいては画像投影装置の小型化を更に図る上では、水平走査方向に係る歪みの補正および垂直走査方向に係る等速性の補正の双方について偏向走査駆動補正を採用する方がより好ましい。
◎また、上記実施形態では、垂直走査方向については、単に一方向に沿った走査で描画したが、これに限られず、垂直走査方向についても、水平走査方向の走査と同様に、偏向走査ミラー１０の回動の往復を利用して描画を行うようにしても良い。このような構成を採用する場合には、垂直走査に係る偏向走査ミラー１０の回動を実現するための駆動信号の基本的な波形は、鋸歯状のものではなく、三角波状のものとすれば良い。
◎なお、上記第１実施形態に係る画像投影装置１００においても、第２実施形態に係る画像投影装置１００Ａと同様に、反射光学系の途中で光束が交差するような構成を採用することは、光学機構部１３０の小型化、ひいては画像投影装置１００の小型化を図る上で更に好ましい。
◎また、上記実施形態では、光源１３３が、ＲＧＢ色の３色のレーザー光を発するものであったが、これに限られず、投影画像は１以上の任意の数の色で表現される場合が想定されるから、光源１３３は、１以上の色のレーザー光を発するものであれば良い。また、投影画像が、一定の輝度の画素によって構成される場合には、光源１３３においては出力の変調が不要となる。
◎また、上記実施形態では、水平走査方向に係る歪みの偏向走査駆動補正において、駆動信号の波形に単にエンベロープを付与したが、これに限られず、水平走査方向に係る歪みに起因する投影画像の歪みは、いわゆる台形歪みだけに限られず、糸巻き型の歪みなど種々存在しているため、歪みの種類に合わせて、各フレームの画像の表示期間においてｂ軸を中心として偏向走査ミラー１０を反復回動させるための正弦波の駆動信号の振幅に適宜強弱を付与すれば良い。
◎また、上記実施形態では、２次元偏向部１３２において、１つの反射部１０を略直交する２つの軸（ａ軸およびｂ軸）を中心にそれぞれ回動させることで、光源１３３からの光束を２次元的に反射するように偏向したが、これに限られず、一方向に沿った光束の偏向と、他方向に沿った光束の偏向とを、別々に設けた２つの反射部の回動によって実現することで、光源１３３からの光束を２次元的に反射するように偏向させても良い。このような構成の具体例としては、ａ’軸を中心に反射部が回動可能な第１の偏向部と、ｂ’軸を中心に反射部が回動可能な第２の偏向部とを、光源１３３からスクリーンＳＣに至る光路中に、空間順次に配置したような態様が挙げられる。但し、水平および垂直走査を実現するためには、ａ’軸およびｂ’軸をそれぞれ、光源１３３からスクリーンＳＣに至る光路に沿った当該光路中の線（好ましくは光路の中心の線、すなわち中心線）に対して略直交するように設定し、更に、ａ’軸とｂ’軸との位置および角度関係については、例えば、上記光路の中心線に沿って所定距離だけ離隔させ、かつ上記光路の中心線を中心として、約９０°回転させた関係とすることが好ましい。換言すれば、ｂ’軸は、ａ’軸を基準にして、ａ’軸と略直交する所定の直線に沿って所定距離だけ離隔し、且つその所定の直線を中心として略９０°回転させたものであることが好ましい。
第１実施形態に係る画像投影装置の機能構成を示すブロック図である。 ２次元偏向部の構成を示す図である。 画像投影装置の使用態様を例示する模式図である。 光学機構部の概略構成を示す図である。 光学機構部の概略構成を示す図である。 垂直走査方向に係る走査速度の補正方法の原理を示す図である。 垂直駆動信号回路の機能構成を示すブロック図である。 垂直走査に係る駆動信号の波形を示す図である。 高調波の除去を説明するための図である。 水平駆動信号回路の機能構成を示すブロック図である。 水平走査に係る駆動信号の波形を示す図である。 水平走査方向に係る歪みの補正態様を示す図である。 補正信号の周波数成分の強度を示す図である。 ＡＭ波信号の周波数成分の強度を示す図である。 補正方法をまとめた図である。 光学補正および偏向走査駆動補正の結果を示す図である。 投影画像の状態を例示する模式図である。 水平走査線上における水平走査の速度分布を示す図である。 第２実施形態に係る光学機構部の概略構成を示す図である。 投影光学系の水平走査方向に対応する方向に沿った特性を示す図である。 補正方法をまとめた図である。 光学補正の結果を例示する模式図である。 投影画像の状態を例示する模式図である。 水平走査線上における水平走査の速度分布を示す図である。 画像処理による補正について説明するための図である。
符号の説明
１０ 偏向走査ミラー
１００，１００Ａ 画像投影装置
１１０ 入力画像処理部
１２０ 駆動制御部
１２１ 画像出力回路
１２２ 偏向制御回路
１２２Ｈ 水平駆動信号回路
１２２Ｌ 重畳部
１２２Ｖ 垂直駆動信号回路
１２３ 光源駆動回路
１３０，１３０Ａ 光学機構部
１３１，１３１Ａ 投影光学系
１３２ ２次元偏向部
１３３ 光源
Ｈ１ 駆動信号発生部
Ｈ２ 補正信号発生部
Ｈ３ 掛算部
Ｈ４ 水平駆動回路
Ｍ１，Ｍ１Ａ 第１反射ミラー
Ｍ２，Ｍ２Ａ 第２反射ミラー
ＳＣ スクリーン
Ｖ１ 駆動信号発生部
Ｖ２ 高調波除去部
Ｖ３ 補正信号発生部
Ｖ４ 加算部
Ｖ５ 垂直駆動回路

Claims (13)

  1. 画像を被投影面に投影する画像投影装置であって、
    光源手段と、
    前記光源手段から発せられた光束を反射する反射部を有し、第１軸を中心とした前記反射部の回動と、前記第１軸と略直交する第２軸を中心とした前記反射部の回動とにより、前記光束を２次元方向に偏向する偏向手段と、
    前記反射部を、共振駆動により前記第２軸を中心として回動させるとともに、非共振駆動により前記第１軸を中心として回動させるように制御する偏向制御手段と、
    前記偏向手段によって偏向された光束を、前記被投影面上に導光することで、前記画像を前記被投影面に投影する投影光学系と、
    を備え、
    前記投影光学系を構成する光学面が、
    前記被投影面上における一方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する一方走査方向速度補正と、前記被投影面上における前記一方走査方向と略直交する他方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する他方走査方向歪補正とを行う形状を有し、
    前記偏向制御手段が、
    前記第１軸を中心とした前記反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記他方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する他方走査方向速度補正、および前記第２軸を中心とした前記反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記一方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する一方走査方向歪補正のうちの少なくとも一方の補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  2. 請求項１に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記反射部を回動させるための駆動信号を調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記反射部を回動させるための駆動信号を補正信号によって調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  4. 請求項２または請求項３に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記反射部を回動させるための駆動信号の波形を非線形に調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  5. 請求項１に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第２軸を中心として前記反射部を反復回動させるための駆動信号の振幅に強弱を付与することで、一方走査方向歪補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  6. 画像を被投影面に投影する画像投影装置であって、
    光源手段と、
    前記光源手段から発せられた光束を空間順次に反射する第１および第２の反射部を有し、第１軸を中心とした前記第１の反射部の回動と、前記第１軸を基準にして該第１軸と略直交する所定の直線に沿って所定距離離隔し且つ前記所定の直線を中心として略９０°回転させた関係にある第２軸を中心とした前記第２の反射部の回動とにより、前記光束を２次元方向に偏向する偏向手段と、
    前記第２の反射部を、共振駆動により前記第２軸を中心として回動させるとともに、前記第１の反射部を、非共振駆動により前記第１軸を中心として回動させるように制御する偏向制御手段と、
    前記偏向手段によって偏向された光束を、前記被投影面上に導光することで、前記画像を前記被投影面に投影する投影光学系と、
    を備え、
    前記投影光学系を構成する光学面が、
    前記被投影面上における一方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する一方走査方向速度補正と、前記被投影面上における前記一方走査方向と略直交する他方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する他方走査方向歪補正とを行う形状を有し、
    前記偏向制御手段が、
    前記第１軸を中心とした前記第１の反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記他方走査方向に沿った前記光束の走査速度を略一定に維持する他方走査方向速度補正、および前記第２軸を中心とした前記第２の反射部の回動を制御することで、前記被投影面上における前記一方走査方向に沿った画像の歪みを抑制する一方走査方向歪補正のうちの少なくとも一方の補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  7. 請求項６に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記第１の反射部を回動させるための駆動信号を調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  8. 請求項６または請求項７に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記第１の反射部を回動させるための駆動信号を補正信号によって調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  9. 請求項７または請求項８に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第１軸を中心として前記第１の反射部を回動させるための駆動信号の波形を非線形に調整することで、前記他方走査方向速度補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  10. 請求項６に記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    各フレームの画像の表示期間において前記第２軸を中心として前記第２の反射部を反復回動させるための駆動信号の振幅に強弱を付与することで、一方走査方向歪補正を行うことを特徴とする画像投影装置。
  11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    前記他方走査方向速度補正を行うように制御することを特徴とする画像投影装置。
  12. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    前記一方走査方向歪補正を行うように制御することを特徴とする画像投影装置。
  13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の画像投影装置であって、
    前記偏向制御手段が、
    前記他方走査方向速度補正および前記一方走査方向歪補正の両方を行うように制御することを特徴とする画像投影装置。
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