本発明は、光源からの光束を被走査面上で走査する光走査装置に関し、さらに該光束走査によって被走査面上に画像を形成する走査型画像表示装置に関する。
光源からの変調光を走査デバイスで走査することにより被走査面上に画像を表示(形成)する光走査装置又は走査型画像表示装置や液晶プロジェクタ等の画像投射装置として、特許文献1〜4にて開示されているものがある。
特許文献1にて開示された装置は、コヒーレンス性を有する光を発する光源と、該光を走査する走査デバイスと、該走査デバイスからの光に中間像を形成させる第1の光学系と、該中間像からの光を被走査面上に結像させる第2の光学系とを有する。この装置では、中間像の位置又はこれに近接した位置に拡散角変換素子を配置し、該拡散角変換素子から射出した光束の広がり角を拡大している。拡散角変換素子としては、マイクロレンズアレイ等が用いられ、その回折作用によって発生した回折光を被走査面に集光させてスペックルノイズを低減させている。
特許文献2にて開示された装置では、投射レンズを構成する結像レンズとコンデンサレンズを透過型画像パネルに対して相対的に光軸方向に移動可能に支持している。そして、結像レンズからスクリーンまでの投射距離を変化させるとき、これらレンズをともに透過型画像パネルに対して相対的に移動させてスクリーン上で焦点調節を行う。
特許文献3にて開示された装置では、互いに光軸が一致しない複数の共軸光学系のうち方の共軸光学系をフォーカスレンズ群としてその光軸方向に移動させる。これにより、像面が物面に対して傾き角度が一定のまま平行移動するように、すなわち投射画像に台形歪みを生じさせずにフォーカスを行う斜め投影光学系を構成している。
特許文献4にて開示された装置では、光束を観察者の網膜上において走査することにより画像を提示する。そして、瞳拡大素子を用いて、光束の波面曲率の変調に起因した表示画像の多重化を抑制しつつ射出瞳を拡大している。
特開2006−053495号公報
特開平8−106065号公報
特許第3412396号
特開2006−251125号公報
しかしながら、特許文献1には、装置から被走査面までの距離(投射距離)が変化した場合のピント調整については言及されていない。投射距離が変更となった場合の一般的なピント調整方法としては、中間像からの光を被走査面上に結像させる第2の光学系を光軸方向に移動させることが考えられる。
また、特許文献2の装置では、投射レンズ全体を光軸方向に移動させるので、ピント調整に必要なストロークの分だけ空間を確保する必要があり、装置が大型化する。
また、特許文献3の装置では、投射光学系を構成する複数のレンズ群のうち一部をフォーカスレンズ群として移動させる。ただし、フォーカスレンズ群は中間結像面から像面へ画像を投射する機能を有するため、多くのレンズが必要となる。そして、最も像面側に配置されたレンズ群をフォーカスレンズ群としているため、ピント調整のストロークの分だけ空間を確保する必要がある。つまり、装置が大型化する。
さらに、特許文献4の装置では、光束を眼の網膜に投影する光学系が、該装置のリレー光学系と眼の光学系とにより構成される。この装置では、波面変調に伴い中間像面の位置が光軸方向に移動した場合、眼の光学系の焦点距離を変化させることでピントが調整される。つまり、眼の光学系が可変焦点レンズになっている。また、瞳拡大素子がピント位置からずれると、網膜に投影される像が多重化してしまう。そのため、瞳拡大素子を中間像面と一致させるように調整する必要がある。
この特許文献4の網膜走査型画像表示装置の光学系は、網膜をスクリーンに置き換えることで、スクリーン上に画像を表示する走査型画像表示装置に応用することも考えられる。この場合、スクリーンに光束を投射する光学系に可変焦点レンズが含まれているので、投射距離が変化した場合には可変焦点レンズを用いてピント調整を行えばよい。したがって、瞳拡大素子を光軸方向に調整する必要がなくなる。
しかし、スクリーンへ光束を投射する光学系に可変焦点レンズを投入することは難しく、眼の光学系のように簡単にピント調整ができない。そこで、一般には、投射光学系やその一部を構成するレンズ群を光軸方向に移動させてピント調整を行う。このため、ピント調整に必要なストロークを確保する必要があり、装置が大型化する。
また、特許文献2の投射レンズ、特許文献3のフォーカスレンズ群及び特許文献4のリレー光学系や眼の光学系はいずれも共軸レンズ系を用いている。このため、これらを光軸方向に移動させることでピント調整が可能である。
これに対し、偏心レンズや結像ミラー等の偏心光学系を用いる場合には、以下の問題が生ずる。
偏心光学系は、入射した光束の光路を折り曲げるように構成されており、偏心光学系に入射する中心光線と偏心光学系から射出する中心光線とが非平行となる。特に結像ミラーを用いた場合は非平行度が大きくなる。
ここで、偏心光学系の入射光線に沿った方向に偏心光学系を移動させた場合、ピント調整は可能であるが、像面(被走査面)上の画像の投射位置が変化する。これは、偏心光学系に入射する中心光線と偏心光学系から射出する中心光線とが非平行であり、偏心光学系が入射光線に沿って移動すると射出光線がシフトするためである。そして、このように画像の位置が変化すると、ピント調整後に画像の位置調整が必要となってしまう。
本発明は、投射距離の変更に伴うピント調整(劣化した解像度の補正)を簡単な構成で行うことができ、かつピント調整に必要なスペースを減少させて小型化を図ることができる光走査装置を提供する。また、本発明は、偏心光学系を用いた場合においても投射位置を変化させずに投射距離の変化に伴うピント調整が可能な光走査装置を提供する。
本発明の一側面としての光走査装置は、光源からの光束を走査する走査手段と、走査手段からの光束に中間像を形成させる第1の光学系と、該中間像の位置を含む特定範囲内に配置され、第1の光学系からの光束から複数の光束成分を発生させる光束成分発生手段と、複数の光束成分を被走査面に向けて集光させる第2の光学系と、光束成分発生手段を上記特定範囲内で移動させる移動手段とを有することを特徴とする。ここで、第2の光学系は、偏心光学系であってもよい。
なお、上記光走査装置を有し、被走査面に画像を形成する走査型画像表示装置も本発明の他の側面を構成する。
本発明によれば、中間像位置を含む特定範囲内で光束成分発生手段を移動可能とすることで、投射距離の変更に伴うピント調整(劣化した解像度の補正)を簡単な構成で行うことができる。しかも、ピント調整に必要なスペースが小さいので、小型の光走査装置及び走査型画像表示装置を実現できる。また、第2の光学系に偏心光学系を用いた場合においても、投射位置を変化させずに投射距離の変化に伴うピント調整が可能な光走査装置及び走査型画像表示装置を実現することができる。
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
図1には、本発明の実施例1である光走査装置及びこれを備えた走査型画像表示装置の構成を模式的に示している。
101はレーザ光源であり、150は該レーザ光源を駆動する駆動回路である。駆動回路150には、パーソナルコンピュータ、DVDプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置160からの画像情報が入力される。駆動回路150は、入力された画像情報に応じてレーザ光源101を変調駆動する。なお、このことは、後述する実施例でも同様である。
レーザ光源101から発せられたコヒーレンスを有するレーザ光束(発散光束)は、コリメータレンズ102によって平行光束に変換される。コリメータレンズ102から射出した光束は、2次元走査デバイス(走査手段)103によって2次元方向に走査され、走査光学系104を介して被走査面としてのスクリーン105上に投射される。これにより、スクリーン105上に画像が投射(表示又は形成)される。
本実施例では、2次元走査デバイス103として、2次元方向に光束を走査可能なMEMS(Micro Electro-mechanical system)ミラーデバイスを用いている。該MEMSミラーデバイスでは、ミラー部が水平方向においては、例えば18kHzと高い共振周波数で揺動(振動)するとともに、垂直方向においては、例えば60Hzと低い周波数で揺動する。
したがって、スクリーン105上には水平方向に往復する走査線106が画像の最上部から順次下方に形成されていき、画像の最下部に達すると走査線106は再び画像の最上部へ戻る。この一連の動作によってスクリーン105上には往路及び復路でそれぞれ300本の走査線106が形成され、例えば水平方向800画素、垂直方向600画素のSVGAの1フレーム画像が形成される。そして、この動作を繰り返し行うことで、動画が表示される。実際には、ある瞬間においてはスクリーン105上には1つの光束のスポットしか存在しないが、スポットが2次元に走査されることで、観察者の残像効果により画像が認識される。
なお、図1では、走査線106を模式的に示しているが、実際には、対角サイズ12インチで解像度がSVGAの画像を表示している。1画素の大きさは約300μmである。
また、2次元走査デバイスとしては、互いに異なる1次元方向に光束を走査可能なMEMSミラーデバイスを2つ用いたり、1次元方向に光束を走査可能なMEMSミラーデバイスと他の1次元方向に光束を走査可能なガルバノミラーを用いたりしてもよい。
図2には、本実施例の光走査装置の垂直光学断面を示している。
レーザ光源101から発せられた発散光束は、コリメータレンズ102によって平行光束に変換され、折り返しミラー107を介して2次元走査デバイス103に入射する。走査デバイス103により水平方向及び垂直方向に偏向された光束は、第1の光学系104Aと第2の光学系104Bとを含む走査光学系104を介してスクリーン105上にスポット像を形成(すなわち、結像)する。
第1の光学系104Aは、走査デバイス103からの光束を集光して、第2の光学系104Bよりも走査デバイス側に中間像108を形成させる。この中間像(中間像が結ばれる位置)108とは、レーザ光源の中間像が結ばれる位置(スクリーンと共役な位置)である。すなわち、第1の光学系によって、レーザ光源108と中間像108(その位置に配置されたマイクロレンズアレイ109)とが実質的に共役な関係になっている。尚、レーザ光源の最終像は、勿論スクリーン105上に結ばれる像のことであり、この中間像はレーザ光源、スクリーンの両者と実質的に共役である。また、第1の光学系104Aは、本実施例では、2枚の自由曲面ミラーによって構成されている。
中間像108の位置を含む特定範囲内には、光束成分発生手段としてのマイクロレンズアレイ(回折素子)109が配置されている。マイクロレンズアレイ109は、第1の光学系104Aからの光束から複数の光束成分としての複数の回折光束成分(以下、単に回折光束という)を発生させる。尚、この特定範囲内とは、光学的な見地から考えて、実質的に同じ作用を及ぼすと考えられる範囲のことであり、この範囲は、第一の光学系の焦点距離の10分の1(好ましくは20分の1)未満であると良い。
そして、第2の光学系104Bは、マイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束をスクリーン105上の1点に集光させるように、すなわち複数の回折光束をスクリーン105上の同一位置(1画素)で重ね合わせるように、スポットとして結像させる。
図3Aには、マイクロレンズアレイ109の形状の例を、図3Bには、マイクロレンズアレイ109により1本の光束から発生する複数の回折光束の分布の例をそれぞれ示す。
図3Aの左側に示すように、マイクロレンズアレイ109には、正六角形の外形を有する微小レンズMLがピッチ10μmで隣接配置されている。具体的には、微小レンズMLは、1つの微小レンズの周囲を6つの微小レンズが囲むように、言い換えれば、該周囲を囲む微小レンズの中心を結んだ線が六角形をなすように配置されている。以下、この配置を六角形配置という。このマイクロレンズアレイ109は、光路中に挿入されることにより、入射した1本の光束から複数の回折光束を発生させる回折素子として機能する。
図3Aの右側には、マイクロレンズアレイ109の断面(左側の図中のA−A線での断面)の形状を示す。マイクロレンズアレイ109は、1mm厚のガラス基板GP上に数十μm厚の微小レンズMLが形成されて構成されている。微小レンズMLの曲率を最適化することで、高い回折効率を得ている。
マイクロレンズアレイ109において微小レンズMLが六角形配置されているため、図3Bに示すように、マイクロレンズアレイ109により1本の光束から発生する回折光束の分布(ファーフィールドパターン)も六角形をベースとしたパターンとなる。
回折光束の分布の中心には、0次回折光束D0が1本存在し、その周囲に1次回折光束D1が6本存在する。さらに、その外側には、2次回折光束D2が6本存在する。また、隣り合う2次回折光束D2の間には、1次回折光束1次回折光束(以下、対角方向の1次回折光束という)T1が存在する。各回折光束は、互いに離間している。なお、2次回折光束D2及び対角方向の1次回折光束T1の外側には、3次回折光束等の高次回折光束が存在するが、図には示していない。
本実施例では、マイクロレンズアレイ109で発生した0次回折光束D0、1次回折光束D1、2次回折光束D2及び対角方向の1次回折光束T1を複数の光束成分として第2の光学系104Bによってスクリーン105上の1点に集光させる。
ここで、「複数の光束成分(回折光束)」は、図12に示すように、光束成分ごとにピークを含む光量分布(強度分布)を有する。また、「複数の光束成分」は、観察者に認識される特定の光量レベルT(ピーク光量の1/e2となる光量レベル)以上の光量部分においては互いに離間している。言い換えれば、観察者にほとんど認識されない特定の光量レベルT(ピーク光量の1/e2となる光量レベル)より低い光量部分においては互いに重なっていてもよい。本実施例では、このような状態の複数の光束成分(特定の光量レベル未満の光量分布を示している領域において重なっている複数の光束成分)を、互いに離間しているものとみなす。また、図12における0次回折光束と2次回折光束、及び2次回折光束同士も互いに離間していると言える。
ただし、「複数の光束成分」は、光束成分ごとにピークを含む光量分布を有していれば、互いに離間していなくてもよく、互いに隣接していてもよい(重複していてもよい)。図12において、特定の光量レベルTより若干低い光量部分T′まで含めた場合には、隣り合う光束成分は互いに隣接していると言うこともできる。
以上の「複数の光束成分」の意味は、後述する他の実施例でも同じである。
これらの複数の回折光束を互いに異なる角度からスクリーン105へ入射させて同一位置(1画素)にて重ね合わせることにより、回折光束ごとに異なる態様で発生するスペックルパターンが複数重ね合わされる。これにより、スペックルノイズを平均化し、スペックルコントラストを低減させることができる。
このように、本実施例では、走査光学系104の中間像位置又はこれに近接した位置を含む特定範囲にマイクロレンズアレイ109等の光束成分発生手段を配置して複数の光束成分を発生させ、該複数の光束成分をスクリーン105上の1点に集光させる。これにより、レーザ光源を使用することで発生するスペックルノイズを低減することができる。
前述したように、SVGA画像を対角12インチのサイズで表示するときの1画素の大きさは約300μmである。1本の光束を走査してそのままスクリーンに投射する従来の装置では、スクリーンへ入射する光束のFナンバーはF=349と大きく(暗く)、±100mmを超える広い焦点深度が得られる。このため、いわゆるピントフリーの投射が可能である。
一方、マイクロレンズアレイ等の光束成分発生手段によって発生した複数の光束成分をスクリーン上の1点に集光させる本実施例では、各光束のFナンバーはF=349と大きいが、複数の光束成分を1本の光束として見た場合のFナンバーは、F=70と小さい。
そこで、本実施例では、投射距離が変更された場合に、解像度を劣化させないようにピント調整が必要となる。
従来の光走査装置では、走査光学系全体もしくは走査光学系を構成する一部の光学系部分を光軸方向に移動させてピント調整を行っていた。本実施例の光走査装置でも、同様に第2の光学系104Bを移動させてピント調整を行うことは可能であるが、第2の光学系104Bを光軸方向に移動させるストローク分のスペースが必要となり、装置の大型化につながるため、好ましくない。特に、携帯使用される機器に搭載される光走査装置においては、小型化が強く望まれる。
また、第2の光学系に結像ミラー等の反射型光学素子を含む偏心光学系を用いる場合には、反射型光学素子によって光路が折り曲げられることにより第2の光学系に入射する中心光線と第2の光学系から射出する中心光線とが非平行となる。ここで、中心光線とは、スクリーン105の画像中心に到達する光束の主光線であり、偏心光学系ではその光路の向きが変化する。このような偏心光学系を用いた第2の光学系を移動させてピント調整を行うと、第2の光学系の移動量に応じてスクリーン105上での画像の投射位置が上下又は左右に動いてしまう。これでは、ピント調整ごとに投影位置調整が必要となり、好ましくない。
さらに、反射型光学素子は、屈折型光学素子に比べて約4倍も高い敏感度を有し、しかも光走査装置の小型化に伴って、反射型光学素子の曲率半径も小さくなる。したがって、反射型光学素子の偏心に対する収差劣化の敏感度が非常に大きくなる。このため、第2の光学系を移動させるには、ピント調整には必要のない光軸に直交する方向への移動や光軸に対する傾きを精度良く抑える必要がある。このことは、第2の光学系を移動させる機構に高い機械的精度が要求されたり、たわみや振動が発生しない頑強さが要求されたりし、コストアップを招く要因にもなる。
そこで、本実施例では、中間像108を含む特定範囲内でマイクロレンズアレイ109を該マイクロレンズアレイ109で発生する光束成分の進行する方向又はその逆方向(以下、これらを光線方向という)に移動させる。これにより、マイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束の集光位置を調整し、上述した不都合を生じることなく、ピント調整を可能とする。
以下、図4A、図4B及び図4Cを用いて、本実施例における投射距離の変更に伴うピント(解像度)調整方法について説明する。
図4Aに示すように、第2の光学系104Bは2枚の自由曲面ミラーM1,M2で構成されている。図4Aでは、第1の光学系104Aからの光束Lが中間像108を形成するように結像し、中間像108の位置にマイクロレンズアレイ109が配置されている状態を示す。マイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束Dは、自由曲面ミラーM1及び自由曲面ミラーM2を介してスクリーン105上に再び結像する。中間像面に入射する光束Lは、互いに平行(平行とみなせる程度に平行からずれている場合も含む)である。
図4Bには、スクリーン105を位置105Aから位置105Bに移動させて投射距離を変更した様子を示している。マイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束Dは元のスクリーン位置105Aにベストフォーカス位置があり、各回折光束Dの集光位置も一致していた。そのため、現在のスクリーン位置105Bでは、各回折光束Dがスクリーン105に到達する位置がばらつき、解像度が劣化する。
そこで、図4Cに示すように、マイクロレンズアレイ109を中間像108の位置を含む特定範囲Aで光線方向に移動させてマイクロレンズアレイ109の光学的な共役点を位置105Aから位置105Bへ移動させる。言い換えれば、マイクロレンズアレイ109をスクリーン105と共役な位置に移動させる。
これにより、マイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束Dをスクリーン105上の1点に集光させることができる。
なお、図4Cにおける光線方向とは、スクリーン105の画像中心Pcに到達する光束のうち0次回折光束の主光線が、マイクロレンズアレイ109から第1自由曲面ミラーM1に向かう方向を意味する。また、光線方向は、第2の光学系104Bの光軸方向と言うこともできる。
また、本実施例において、マイクロレンズアレイ109を移動させるスクリーン105と共役な位置とは、厳密にスクリーン105と共役な位置だけでなく、共役な位置に近接して光学的に共役な位置とみなせる位置も含む。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
また、このようにマイクロレンズアレイ109を移動させるために、本実施例では、移動手段しての移動機構120を設けている。移動機構120は、例えば、ピント調整スイッチと、該スイッチの操作に応じて動作してマイクロレンズアレイ109を移動させるアクチュエータとにより構成される。
前述したように、各回折光束のFナンバーは非常に大きく、1本の回折光束を走査する場合は焦点深度が±100mmを超える。このため、各回折光束のベストフォーカス位置が位置105Aのままであっても、スクリーン105上で十分な解像度が得られる。
このように、本実施例では、走査光学系内の中間像位置を含む特定範囲A内でマイクロレンズアレイ109を光線方向に移動させることにより、マイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束をスクリーン105上の1点に集光するように調整する。これにより、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を低減することができる。
特定範囲Aとは、スクリーン105までの投射距離の変化に応じて、マイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束の集光位置を調整することができる範囲である。別言すれば、投射距離の変化に応じてマイクロレンズアレイ109の光学的な共役点を移動させることができる範囲である。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
また、本実施例では、マイクロレンズアレイ109は、第1の光学系104Aと第2の光学系104Bとの間のスペースを利用して移動する。このため、解像度調整のために新たなスペースを確保する必要がなく、光走査装置の大型化を回避することができる。
また、本実施例では、マイクロレンズアレイ109を移動させるので、解像度の調整に伴う画像投射位置のシフトがなく、画像投射位置の調整が不要になる。
また、第2の光学系104Bを構成する自由曲面ミラーM1,M2を固定して設置できるので、高精度な位置決めが可能となる。これにより、組立誤差や光学系を移動させたときに生じる光軸に直交する方向のシフトやチルトによる収差劣化を小さく抑えることができ、良好な画像を表示することができる。
さらに、投射距離の変更後もマイクロレンズアレイ109で発生した複数の回折光束をそれぞれ異なる角度でスクリーン105に入射させるので、スペックル低減効果を十分に発揮することができ、スペックルノイズの少ない高品位な画像を表示することができる。
また、本実施例においては、マイクロレンズアレイ109の共役点がスクリーン105上に位置するようにマイクロレンズアレイ109を移動させる場合について説明したが、必ずしも共役点がスクリーン105上に位置する必要はない。
また、本実施例では、マイクロレンズアレイ109のみを移動させる場合について説明したが、マイクロレンズアレイ109と第2の光学系104B又はその一部とを移動させてもよい。この場合においても、第2の光学系104B又はその一部の移動ストロークを小さくすることができるので、装置の大型化を抑えることができる。
また、前述したように、本実施例では、中間像108の位置に入射する光束Lは互いに平行としているので、マイクロレンズアレイ109を光線方向に移動させたときに生じる画像の歪みは殆ど発生しない。さらに、マイクロレンズアレイ109を光線方向に移動させても、マイクロレンズアレイ109への光束の入射角がほとんど変わらないので、高い回折効率を維持することができる。
上記実施例1にて説明した(及び後述する他の実施例にて説明する)構成は、RGBの3色の色光を発する光源を用いる場合にも適用することができる。すなわち、実施例1に示した構成を応用してカラー画像を投射する光走査装置及び走査型画像表示装置を構成することができる。
図5には、本実施例の装置にて用いられるカラー光源ユニットの例を示す。カラー光源ユニット501は、例えば発振波長640nmの赤色半導体レーザ501aと、発振波長532nmの緑色レーザ光源501bと、発振波長445nmの青色半導体レーザ501cの3つのレーザ光源を用いて構成される。なお、緑色レーザ光源501bとしては、赤外レーザから波長変換により緑色レーザを発生させるSHG方式の光源を用いてもよい。
これらのレーザ光源501a,501b,501cから発せられた光束は、それぞれに対応したコリメータレンズ502a,502b,502cによって平行光束に変換された後、ダイクロイックプリズム510で1本のビームに合成される。そして、実施例1にて説明した2次元走査デバイスによって走査され、スクリーン上に投射される。
このようなカラー光源ユニット501を用いる場合、実施例1に示した2枚の反射型光学素子(M1,M2)により構成される第2の光学系104Bを用いることにより、色収差の発生を抑えことができる。これにより、3色に関するマイクロレンズアレイ109の共役点のいずれをもスクリーン105上に位置させるようにマイクロレンズアレイ109を移動させることができ、各色の複数の回折光束をスクリーン105上の1点に集光させることができる。
このように、本実施例によれば、3色のレーザ光源を用いた光走査装置及びカラー走査型画像表示装置においても、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を防止することができる。
図6には、本発明の実施例3である光走査装置(走査型画像表示装置)の一部の垂直断面を示す。
本実施例は、第2の光学系をプリズム素子で構成した点で実施例1と異なる。
図示はしないが、本実施例における光走査装置も、実施例1と同様に、レーザ光源から発せられた光束を2次元走査デバイス(MEMSミラーデバイス)によって水平方向及び垂直方法に偏向する。そして、走査デバイスからの光束は、2枚の自由曲面ミラーにより構成される第1の光学系によって中間像608を形成するように結像する。このとき、中間像608の位置に入射する光束Lは、互いに平行(平行であるとみなせる場合も含む)である。
中間像608の位置又はこれに近接した位置を含む特定範囲(図7BにAで示す)には、光束成分発生手段としてのマイクロレンズアレイ609が配置されている。マイクロレンズアレイ609は入射した1本の光束から複数の回折光束Dを発生させる。マイクロレンズアレイ609の構成、発生する回折光束のパターン及びスクリーン605に導く複数の回折光束については、実施例1と同じである。
第2の光学系604Bは、3面を有するプリズム素子611で構成されている。プリズム素子611は、マイクロレンズアレイ609とスクリーン605とを光学的に共役な関係とし、マイクロレンズアレイ609で発生した複数の回折光束Dをスクリーン605上の1点に集光させる。すなわち、スクリーン605上の同一位置(1画素)にて重ね合わせる。
プリズム素子611において、第1面S1は屈折面、第2面S2は全反射と屈折の共通面、第3面S3は反射面であり、各面は自由曲面形状を有する。プリズム素子611は、第1面S1〜第3面S3により囲まれた領域が、屈折率約1.5の樹脂により満たされている。
そして、マイクロレンズアレイ609で発生した回折光束は、第1面S1からプリズム素子611に入射して、第2面S2及び第3面S3で全反射され、第2面S2を透過してスクリーン605上に集光される。
プリズム素子611は3つの面S1〜S3を含めて一体成形できるので、該3つの面S1〜S3の位置関係を高精度に設定することができる。また、プリズム素子611の内部で反射を行うため、面の外側に支持用の厚みを持たせる必要がない。このため、第2の光学系全体の厚みを小さく抑えられる。また、面S2を全反射と屈折の共通面としているので、面S2の面積を小さくすることができ、この結果、プリズム素子611(第2の光学系604B)を小型化することができる。
本実施例の装置でも、スクリーン605の位置(投射距離)に応じてピント調整を行うことが求められる。
しかし、本実施例では、第2の光学系604Bとして偏心光学系を構成するプリズム素子611を用いており、反射面によって光路が折り曲げられることによって第2の光学系604Bに入射する光束と第2の光学系604Bから射出する光束とが非平行となる。このため、プリズム素子611をピント調整のために移動させると、スクリーン605上での画像投射位置が変化してしまう。
しかも、プリズム素子611は、その内部が樹脂で満たされた比較的大きな部材であるので、重量が大きく、これを移動させるためには出力の大きなアクチュエータが必要である。
そこで、本実施例では、マイクロレンズアレイ609を光線方向に移動させ、マイクロレンズアレイ609で発生した複数の回折光束の集光位置を調整することで、上述した不都合を生じることなくピント調整を行う。
以下、図7A及び図7Bを用いて、本実施例における投射距離の変更に伴うピント(解像度)調整方法について説明する。
図7Aは、スクリーン605を位置605Aから位置605Bまで移動させた状態を示している。中間像608の位置に配置されたマイクロレンズアレイ609により発生した複数の回折光束Dは、プリズム素子611により位置605Aに集光され、各回折光束のベストフォーカス位置も位置605Aにある。したがって、位置605Bに移動したスクリーン605に対しては、各回折光束Dがスクリーン605に到達する位置がばらつき、解像度が劣化する。
そこで、図7Bに示すように、マイクロレンズアレイ609を特定範囲A内で光線方向に移動させてマイクロレンズアレイ609の光学的な共役点を、位置605Aから位置605Bへ移動させる。これにより、マイクロレンズアレイ609で発生した複数の回折光束Dは、位置605Bにあるスクリーン605上の1点に集光する。
本実施例にいう光線方向とは、スクリーン605の中心Pcに到達する光束のうち0次回折光の主光線がマイクロレンズアレイ609からプリズム素子611の入射面S1へ向かう方向を意味する。
なお、各回折光束のFナンバーは非常に大きく、1本の回折光束が走査される場合は焦点深度が±100mmを超える。このため、各回折光束のベストフォーカス位置が位置605Aのままであっても、位置605Bのスクリーン605上で十分な解像度が得られる。
また、上述のようにマイクロレンズアレイ609を移動させるために、本実施例でも、実施例1にて説明したのと同様な移動機構620を設けている。
このように、本実施例でも、走査光学系内の中間像位置を含む特定範囲A内でマイクロレンズアレイ609を光線方向に移動させることにより、マイクロレンズアレイ609で発生した複数の回折光束をスクリーン605上の1点に集光するように調整する。これにより、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を低減することができる。
また、マイクロレンズアレイ609は、第1の光学系と第2の光学系604Bとの間のスペースを利用して移動する。このため、解像度調整のために新たなスペースを確保する必要がなく、光走査装置の大型化を回避することができる。
また、本実施例では、マイクロレンズアレイ609を移動させるので、解像度の調整に伴う画像投射位置のシフトがなく、画像投射位置の調整が不要になる。
さらに、マイクロレンズアレイ609は、プリズム素子611に比べて軽量であるので、移動機構620のアクチュエータにかかる負荷を軽減することができる。
図8には、本発明の実施例4である光走査装置(走査型画像表示装置)の一部の垂直断面を示す。
本実施例は、実施例1に対して、第2の光学系の構成と、光束成分発生手段としてのマイクロレンズアレイの構成とが異なる。
図示はしないが、本実施例における光走査装置も、実施例1と同様に、レーザ光源から発せられた光束を2次元走査デバイス(MEMSミラーデバイス)によって水平方向及び垂直方法に偏向する。そして、走査デバイスからの光束は、2枚の自由曲面ミラーにより構成される第1の光学系によって中間像808を形成するように結像する。このとき、中間像808の位置に入射する光束Lは、互いに平行(平行であるとみなせる場合も含む)である。
中間像808の位置又はこれに近接した位置を含む特定範囲(図10にAで示す)には、光束成分発生手段としての回折素子ユニット809が配置されている。回折素子ユニット809は入射した1本の光束から複数の回折光束Dを発生させる。複数の回折光束Dは、第2の光学系804Bによって、スクリーン805上の1点に集光される、すなわちスクリーン805上の同一位置(1画素)にて重ね合わせられる。
本実施例では、第2の光学系804Bは、自由曲面ミラーM1,M2を有する偏心光学系として構成されている。このため、第2の光学系804Bに入射する光束と第2の光学系804Bから射出する光束とが非平行となり、第2の光学系804Bを移動させてピント調整を行うと、スクリーン805上での画像の投射位置が変化する。このため、本実施例でも、回折素子ユニット809を移動させてピント調節を行う。
図9には、本実施例における回折素子ユニット809を示している。回折素子ユニット809は、回折方向が互いに直交する第1の回折素子809H及び第2の回折素子809Vにより構成されている。
第1の回折素子809Hの格子Gの向きは、第2の光学系804Bにおける垂直方向に合わせられている。この第1の回折素子809Hは、入射した光束を水平方向へ回折させる(すなわち、回折方向が水平方向である)。また、第2の回折素子809Vの格子Gの向きは、第2の光学系804Bにおける水平方向に合わせられている。この第2の回折素子809Vは、入射した光束を垂直方向へ回折させる(すなわち、回折方向が垂直方向である)。
そして、第1及び第2の回折素子809H,809Vは、それぞれの格子Gが設けられた面を向かい合わせにして、中間像808の位置又はこれに近接する位置を挟んで配置される。
図8に示すように、第2光学系804Bが光学的パワー(集光作用)を有する反射面(自由曲面ミラー)M1,M2を含んだ偏心光学系である場合、これらによって光束を折り畳む方向の光学的パワーが強くなり、結像倍率が高くなる傾向にある。図8は、第2の光学系804Bが光束を垂直方向に折り畳む場合を示し、図の紙面に垂直な水平方向よりも、図の紙面に平行な垂直方向の結像倍率が高くなっている。
このように結像倍率が水平方向と垂直方向とで異なる場合に第2の光学系804Bを光線方向に移動させると、回折素子ユニット809の共役点の移動量が水平方向と垂直方向で異なる。これは、第2光学系804Bの縦倍率の影響によるもので、結像倍率の二乗に比例して回折素子ユニット809の共役点の移動量が大きくなる。一方、回折素子ユニット809を光線方向に移動させても同様の問題が発生する。
そこで、本実施例では、第2光学系804Bの水平方向と垂直方向(互いに直交する2方向)で縦倍率が異なる場合においても、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を良好に補正するため、以下の方法を採用する。
図10、図11A及び図11Bを用いて、本実施例における投射距離の変更に伴うピント(解像度)調整方法について説明する。
本実施例では、回折素子ユニット809を、それぞれ回折方向が水平方向及び垂直方向である第1及び第2の回折素子809H,809Vで構成しており、第2の光学系804Bの水平方向及び垂直方向の縦倍率に合わせて各回折素子を配置している。
図11Aには、第1の回折素子809H及び第2の光学系804Bの水平方向の断面を示し、図11Bには、第2の回折素子809V及び第2の光学系804Bの垂直方向の断面を示している。
第2の光学系804Bは、2枚の自由曲面ミラーM1,M2により構成され、中間像808の位置又はこれに近接した位置に配置された第1及び第2の回折素子809H,809Vで発生した複数の回折光束Dをスクリーン805上の1点に集光させる。第1及び第2の回折素子809H,809Vはそれぞれ、特定範囲A内で互いに異なる位置に移動可能である。そして、このように第1及び第2の回折素子809H,809Vを移動させるために、本実施例では、移動機構820を設けている。移動機構820は、例えば、ピント調整スイッチと、該スイッチの操作に応じて動作して第1及び第2の回折素子809H,809Vを互いに異なる位置に移動させる2つのアクチュエータとにより構成される。
スクリーン805が図8に示す元の位置805Aから位置805Bまで移動して投射距離が変更された場合、縦倍率が小さい水平方向では第1の回折素子809Hを大きく移動させ、縦倍率が大きい垂直方向では第2の回折素子809Vを小さく移動させる。これにより、水平方向及び垂直方向においてそれぞれ、第1及び第2の回折素子809H,809Vの光学的な共役点を同時にスクリーン805上に調整することができる。したがって、両回折素子809H,809Vで発生した複数の回折光束をスクリーン805上の1点に集光させることができる。
なお、各回折光束のFナンバーは非常に大きく、1本の回折光束が走査される場合は焦点深度が±100mmを超える。このため、各回折光束のベストフォーカス位置は位置805Aのままであっても、位置805Bのスクリーン805上で十分な解像度が得られる。
このように本実施例では、第1及び第2の回折素子809H,809Vを特定範囲A内で光線方向の異なる位置に移動させることにより、第2の光学系804Bの縦倍率が方向によって異なる場合でも、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を補正することができる。
また、本実施例では、第1及び第2の回折素子809H,809Vを第1の光学系と第2の光学系804Bとの間のスペースで移動するので、解像度の調整のために新たなスペースを確保する必要がなく、コンパクトな光走査装置を提供することができる。
また、本実施例では、第1及び第2の回折素子809H,809Vを移動させるので、解像度の調整に伴う画像投射位置のシフトがなく、画像投射位置の調整が不要になる。
さらに、本実施例では、第1及び第2の回折素子809H,809Vを格子Gが設けられた回折作用面が向かい合うように配置しているので、回折作用面同士を近接させることが可能となり、解像度の調整範囲を拡大することができる。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記各実施例では、第2の光学系を、集光作用を有する反射面を含むように構成したが、必ずしもそのような反射面を含まなくてもよい。
また、上記各実施例では、第2の光学系を偏心光学系として構成した場合について説明したが、必ずしも偏心光学系として構成しなくてもよい。
さらに、上記各実施例では、光束成分発生手段として回折素子を用いる場合について説明したが、ホログラム素子や偏光ビームスプリッタ等、1本の光束から複数の光束成分を発生させる手段であれば、回折素子以外の光学素子を用いてもよい。
本発明の実施例1である光走査装置及び走査型画像表示装置の構成を示す模式図。
実施例1の装置の垂直断面図。
実施例1の装置で用いられるマイクロレンズアレイの構造を示す図。
マイクロレンズアレイの回折光束の分布パターンを示す図。
実施例1の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。
実施例1の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。
実施例1の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。
本発明の実施例2である光走査装置及び走査型画像表示装置に用いられるカラー光源ユニットの構成を示す図。
本発明の実施例3である光走査装置及び走査型画像表示装置の一部の構成を示す垂直断面図。
実施例3の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。
実施例3の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。
本発明の実施例4である光走査装置及び走査型画像表示装置の一部の構成を示す垂直断面図。
実施例4の装置に用いられる回折素子ユニットの構成を示す斜視図。
実施例4の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。
実施例4の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図(水平断面図)。
実施例4の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図(垂直断面図)。
実施例における複数の光束成分の光量分布を示す概念図。
符号の説明
101 光源
102 コリメータレンズ
103 2次元走査デバイス
104 走査光学系
104A 第1の光学系
104B,604B,804B 第2の光学系
105,605,805 スクリーン(被走査面)
108,608,808 中間像
109,609 マイクロレンズアレイ
809H,809V 回折素子
120,620,820 移動機構