JP2009288520A - 光走査型プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】使用環境に左右されることなく、狭いスペースにおいても、小型でありながら、広画角の画像を高解像度で表示できる光走査型プロジェクタを提供する。
【解決手段】画像信号に基づいて変調された複数の異なる色光を発生する光源部２と、光源部２からの複数の色光を同軸上に合成する色合成部３と、色合成部３で合成された合成光を、画像信号に応じて２次元方向に偏向するビーム走査部５と、非回転対象形状の複数の光学面６ａ〜６ｄを有し、ビーム走査部５で偏向された合成光を、少なくとも偏向角を拡大して投光する自由曲面プリズム６と、を具備し、自由曲面プリズム６から投光される合成光により画像を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ビームを２次元走査してスクリーンに投光することにより、画像を表示する光走査型プロジェクタに関するものである。

この種の光走査型プロジェクタとして、例えば、画像信号に基づいて変調された赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光および青色（Ｂ）光の各レーザ光を、それぞれコリメータレンズにより平行光とした後、光走査手段により２次元走査してスクリーンに投光して、画像を表示するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、他の光走査型プロジェクタとして、画像信号に基づいて変調されたＲ光、Ｇ光およびＢ光の各レーザ光を、集光レンズにより集光するようにして、光走査手段により２次元走査してスクリーンに投光して、画像を表示するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１８４６６３ 特開２００６−１８６２４３

上記特許文献１，２に開示の光走査型プロジェクタは、光源および光学系を小型化することにより、容易に携帯できるように、装置全体の小型化を図っている。

しかしながら、上記の光走査型プロジェクタにあっては、単に、変調されたＲ，Ｇ，Ｂ光を、光走査手段により２次元走査してスクリーンに投光して画像を表示するようにしている。ここで、一般に、光学系を小型化すると、光走査手段も小型となり、それに伴って走査角が小さくなる傾向にある。このように、光走査手段の走査角が小さくなると、大きなサイズの画像を表示する場合は、プロジェクタ本体から表示画面までの表示距離が長くなって、使用環境によっては、所望の画角で画像を表示できない場合がある。また、スクリーンまでの表示距離が長くなることから、スクリーンから観察者までの距離も長くなって、観察者が観察する画像の明るさが低下することも懸念される。

なお、表示画像の明るさを調整する方法として、レーザ光源の出射強度を、表示距離が長い場合は高くするように調整することが考えられる。しかし、レーザ光源の出射強度は、安全上の観点からあまり高くできないとともに、高くすると、消費電力も多くなるため、特に、電池駆動される携帯用のプロジェクタの場合は、電池の消耗が早くなり、途中で画像を表示できなくなる等の問題が生じることになる。

また、特許文献１，２に開示の光走査型プロジェクタにあっては、変調されたＲ，Ｇ，Ｂ光を水平方向に並べてスクリーンに投光して、Ｒ，Ｇ，Ｂ光の３個のスポットで１画素を形成するようにしている。このため、Ｒ，Ｇ，Ｂ光を同軸に合成して、合成光の１個のスポットで１画素を形成する場合と比較して、表示画像の解像度が低下することになる。なお、上記特許文献１，２には、Ｒ，Ｇ，Ｂ光の各レーザ光源の光出射タイミングをずらすことにより、Ｒ，Ｇ，Ｂ光を同一表示位置に投光することも記載されているが、この場合は、各レーザ光源の光出射タイミングの制御が煩雑になることが懸念される。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、使用環境に左右されることなく、狭いスペースにおいても、小型でありながら、広画角の画像を高解像度で表示できる光走査型プロジェクタを提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る光走査型プロジェクタの発明は、
画像信号に基づいて変調された複数の異なる色光を発生する光源部と、
該光源部からの複数の色光を同軸上に合成する色合成部と、
該色合成部で合成された合成光を、前記画像信号に応じて２次元方向に偏向するビーム走査部と、
非回転対象形状の複数の光学面を有し、前記ビーム走査部で偏向された前記合成光を、少なくとも偏向角を拡大して投光する自由曲面プリズムと、を具備し、
前記自由曲面プリズムから投光される前記合成光により画像を表示することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記光源部は、変調された複数の色光の各々に対応して設けられたコリメータレンズと、該コリメータレンズを経た色光のビーム径を制限する絞りと、を有することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記自由曲面プリズムは、透過作用を有する透過領域および内部反射作用を有する内部反射領域を有する第１光学面と、内部反射作用を有する第２光学面および第３光学面と、透過作用を有する第４光学面とを有し、
前記ビーム走査部からの前記合成光を、前記第１光学面の前記透過領域から該自由曲面プリズム内部に入射させて、前記第２光学面、前記第１光学面の前記内部反射領域および前記第３光学面で順次反射させてから、前記第４光学面を透過させて、前記第１光学面への入射方向とは交差する方向に出射させるように構成したことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記自由曲面プリズムは、表示する画像の垂直方向において、前記第１光学面への前記合成光の入射光軸と、前記第４光学面からの前記合成光の出射光軸との成す角度が、前記ビーム走査部による前記合成光の偏向範囲において最大で９０°未満となるように構成したことを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記ビーム走査部は、前記ビーム整形部からの前記合成光の入射光軸と、前記自由曲面プリズムへの前記合成光の出射光軸との成す角度が、当該ビーム走査部による前記合成光の偏向範囲の中心において、ほぼ直交するように構成したことを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記光源部は、少なくとも一つの色光に関し、当該色光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光を前記画像信号に基づいて変調する光変調素子と、を有することを特徴とすることを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記自由曲面プリズムは、当該自由曲面プリズムから所定の距離を隔てた位置で、投光する前記合成光のビームウエストを形成し、所定の距離以上では、前記合成光により表示される画像の偏向全角を２θとするとき、前記合成光のビーム直径がtanθに比例近似して大きくなるように、結像機能を有して構成したことを特徴とするものである。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記自由曲面プリズムから投光される前記合成光を装置外部に出射するための出射開口を有し、前記自由曲面プリズムは、前記出射開口の近傍の装置外部で、前記合成光のビームウエストを形成するように構成したことを特徴とするものである。

本発明によれば、画像信号に基づいて変調された光源部からの複数の異なる色光を、色合成部で同軸上に合成して、ビーム走査部で画像信号に応じて２次元方向に偏向し、その偏向角を自由曲面プリズムにより拡大して投光して画像を表示するので、使用環境に左右されることなく、狭いスペースにおいても、小型でありながら、広画角の画像を高解像度で表示することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る光走査型プロジェクタの光学系の概略構成を示す図である。この光走査型プロジェクタ１は、画像信号に基づいて変調されたＲ光、Ｇ光およびＢ光のレーザ光を発生する光源部２と、光源部２からのＲ，Ｇ，Ｂの各変調光を同軸上に合成する色合成部３と、色合成部３で合成された合成光のビーム形状を整形するビーム整形部４と、ビーム整形部４でビーム整形された合成光を、画像信号に応じて２次元方向に偏向して走査するビーム走査部５と、非回転対象形状の複数の光学面を有し、ビーム走査部５で偏向された合成光を、少なくとも偏向角を拡大して投光する自由曲面プリズム６とを具備し、自由曲面プリズム６から投光される合成光（投影光）を、出射開口７を経て出射させることにより、スクリーンや壁等の表示部８に画像を表示するものである。

光源部２は、Ｒ光を発生するレーザ光源１１Ｒと、Ｇ光を発生するレーザ光源１１Ｇと、Ｂ光を発生するレーザ光源１１Ｂとを有する。レーザ光源１１Ｇは、例えば、ＤＰＳＳ（Diode Pumping Solid State）レーザを用いて構成する。レーザ光源１１Ｇは、Ｇ光を連続して発生するように駆動し、このレーザ光源１１Ｇから発生するＧ光を、音響光学素子や電気光学素子等からなる光変調素子１２により、ＲＧＢのカラー画像信号を構成するＧ信号に基づいて変調し、この変調されたＧ光をコリメータレンズ１３Ｇで平行光とした後、絞り１４Ｇにより視野を制限して、小ビーム径のＧ変調光として出射させる。

レーザ光源１１Ｒは、例えば、半導体レーザで構成して、ＲＧＢのカラー画像信号を構成するＲ信号に基づいて直接変調し、この変調されたＲ光を、Ｇ変調光と同様に、コリメータレンズ１３Ｒで平行光とした後、絞り１４Ｒにより視野を制限して、小ビーム径のＲ変調光として出射させる。同様に、レーザ光源１１Ｂは、例えば、半導体レーザで構成して、ＲＧＢのカラー画像信号を構成するＢ信号に基づいて直接変調し、この変調されたＢ光をコリメータレンズ１３Ｂで平行光とした後、絞り１４Ｂにより視野を制限して、小ビーム径のＢ変調光として出射させる。

すなわち、本実施の形態では、レーザ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ、光変調素子１２、コリメータレンズ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂおよび絞り１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを含んで光源部２を構成し、この光源部２から、カラー画像信号を構成するＲＧＢの各変調光を、同一方向（図１において、紙面垂直上方向）に平行に出射させる。

色合成部３は、反射ミラー１６、第１ダイクロイックプリズム１７および第２ダイクロイックプリズム１８を有する。第１ダイクロイックプリズム１７は、Ｒ光を反射し、他の波長の光は透過するように構成し、第２ダイクロイックプリズム１８は、Ｂ光を反射し、他の光は透過するように構成する。

光源部２から出射するＧ変調光は、反射ミラー１６で入射方向と直交する方向（図１において、紙面水平方向）に反射させた後、第１ダイクロイックプリズム１７および第２ダイクロイックプリズム１８を順次透過させて、ビーム整形部４に入射させる。光源部２から出射するＲ変調光は、第１ダイクロイックプリズム１７で反射させて、Ｇ変調光と合成した後、第２ダイクロイックプリズム１８を透過させてビーム整形部４に入射させる。また、光源部２から出射するＢ変調光は、第２ダイクロイックプリズム１８で反射させて、Ｇ変調光およびＲ変調光と合成してビーム整形部４に入射させる。

ビーム整形部４は、２個のクサビプリズム４ａ，４ｂを有し、入射するＲＧＢ合成光のビーム断面形状をほぼ円形に整形して、光量分布の偏りを補正する。

ビーム走査部５は、例えば、１枚の反射ミラーを電磁的駆動手段により２次元方向に回動させて、ビーム整形部４からの合成光を反射ミラーで反射させて２次元方向に偏向するように構成する。本実施の形態では、ビーム整形部４からの合成光の入射光軸と、自由曲面プリズム６への合成光の出射光軸との成す角度が、合成光の偏向範囲の中心において、ほぼ直交するように、ビーム整形部４からの合成光を、光源部２からの各変調光の出射方向と反対方向（図１において、紙面上の垂直下方向）に偏向して出射させる。

自由曲面プリズム６は、本実施の形態では、非回転対象形状の自由曲面からなる第１光学面６ａ〜第４光学面６ｄを有して構成する。第１光学面６ａは、反射防止コーティングを施した透過作用を有する透過領域と反射コーティングを施した内部反射作用を有する内部反射領域とを有する光学面とし、第２光学面６ｂおよび第３光学面６ｃは、それぞれ反射コーティングを施した内部反射作用を有する光学面とし、第４光学面６ｄは、反射防止コーティングを施した透過作用を有する光学面とする。

この自由曲面プリズム６には、ビーム走査部５で偏向された合成光を、第１光学面６ａの透過領域からプリズム内部に入射させて、第２光学面６ｂ、第１光学面６ａの内部反射領域および第３光学面６ｃで順次反射させ、この第３光学面６ｃで反射された合成光を、第４光学面６ｄから投光して、出射開口７を経て外部に出射させる。これにより、自由曲面プリズム６において、ビーム走査部５から第１光学面６ａに入射する合成光を、第４光学面６ｄから、偏向角を拡大して、入射方向とは交差する方向に投光するとともに、合成光のスポットの収差および表示画像の歪みを補正する。なお、本実施の形態では、表示する画像の垂直方向において、第１光学面６ａへの合成光の入射光軸と、第４光学面６ｄからの合成光の出射光軸との成す角度が、ビーム走査部５による合成光の偏向範囲において最大で９０°未満、例えば最大で７０°となるように、自由曲面プリズム６を構成する。

また、本実施の形態では、自由曲面プリズム６に結像機能を持たせて、合成光を第２光学面６ｂで反射させた後、第１光学面６ａの内部反射領域に至るまでの間に結像させて、合成光の中間像を形成し、さらに、第４光学面６ｄから所定の距離を隔てた位置、例えば、出射開口７から６０ｃｍの位置でビームウエストを形成し、所定の距離以上では、合成光により表示される画像の偏向全角を２θとするとき、合成光のビーム直径がtanθに比例近似して大きくなるように構成する。

ここで、本実施の形態で用いる自由曲面プリズム６について、更に詳細に説明する。図１において、軸上主光線を、自由曲面プリズム６を含む光学系の入射瞳の中心を通り、表示部８の中心に至る光線と定義する。また、入射瞳の中心を原点として、軸上主光線に沿って進む方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と表示部８における像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。

第１光学面６ａ〜第４光学面６ｄは、Ｙ−Ｚ平面内で偏心させるとともに、非回転対称形状の唯一の対称面をＹ−Ｚ平面としている。

偏心面については、光学系の原点から、当該面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚとする）と、その面の中心軸（下記の（１）式におけるＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα、β、γ（°）とする）とで与えられる。この場合、αおよびβの正は、それぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正は、Ｚ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα、β、γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、先ずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸回りで反時計回りにβ回転させるとともに、１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させる。

また、自由曲面とは、下記の（１）式で定義されるものであり、この（１）式で定義されるＺ軸が自由曲面の軸となる。

上記（１）式において、第１項は球面項であり、第２項は自由曲面項である。また、球面項中、Ｒは頂点の曲率半径、ｋは円錐定数、ｒは（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２である。また、自由曲面項は、下記の（２）式のように展開される。ただし、Ｃ_ｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。

＝Ｃ_１
＋Ｃ_２Ｘ ＋Ｃ_３Ｙ
＋Ｃ_４Ｘ^２ ＋Ｃ_５ＸＹ ＋Ｃ_６Ｙ^２
＋Ｃ_７Ｘ^３ ＋Ｃ_８Ｘ^２Ｙ ＋Ｃ_９ＸＹ^２ ＋Ｃ_１０Ｙ^３
＋Ｃ_１１Ｘ^４＋Ｃ_１２Ｘ^３Ｙ＋Ｃ_１３Ｘ^２Ｙ^２＋Ｃ_１４ＸＹ^３ ＋Ｃ_１５Ｙ^４
＋Ｃ_１６Ｘ^５＋Ｃ_１７Ｘ^４Ｙ＋Ｃ_１８Ｘ^３Ｙ^２＋Ｃ_１９Ｘ^２Ｙ^３＋Ｃ_２０ＸＹ^４
＋Ｃ_２１Ｙ^５
＋Ｃ_２２Ｘ^６＋Ｃ_２３Ｘ^５Ｙ＋Ｃ_２４Ｘ^４Ｙ^２＋Ｃ_２５Ｘ^３Ｙ^３＋Ｃ_２６Ｘ^２Ｙ^４
＋Ｃ_２７ＸＹ^５＋Ｃ_２８Ｙ^６
＋Ｃ_２９Ｘ^７＋Ｃ_３０Ｘ^６Ｙ＋Ｃ_３１Ｘ^５Ｙ^２＋Ｃ_３２Ｘ^４Ｙ^３＋Ｃ_３３Ｘ^３Ｙ^４
＋Ｃ_３４Ｘ^２Ｙ^５＋Ｃ_３５ＸＹ^６＋Ｃ_３６Ｙ^７
・ ・・・ （２）

自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面ともに対称面を持つことはないが、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記（２）式では、Ｃ_２、Ｃ_５、Ｃ_７、Ｃ_９、Ｃ_１２、Ｃ_１４、Ｃ_１６、Ｃ_１８、Ｃ_２０、Ｃ_２３、Ｃ_２５、Ｃ_２７、Ｃ_２９、Ｃ_３１、Ｃ_３３、Ｃ_３５、・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記（２）式では、Ｃ_３、Ｃ_５、Ｃ_８、Ｃ_１０、Ｃ_１２、Ｃ_１４、Ｃ_１７、Ｃ_１９、Ｃ_２１、Ｃ_２３、Ｃ_２５、Ｃ_２７、Ｃ_３０、Ｃ_３２、Ｃ_３４、Ｃ_３６、・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、上記対称面方向のいずれか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向をＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向をＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性を向上することができる。

本実施の形態では、自由曲面プリズム６を、アッベ数５６．２、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率１．５２５４、の媒質で形成する。また、第１光学面６ａは、自由曲面項を、Ｃ_４：−１．４９９９×１０^−２、Ｃ_６：３．７５１０×１０^−２、Ｃ_８：−７．３３４９×１０^−３、Ｃ１０：３．１４６７×１０^−３、Ｃ１１：３．０６０４×１０^−４、Ｃ_１３：−２．９４６７×１０^−４、Ｃ_１５：５．５７９４×１０^−５、とし、偏心量は、Ｘ：０．００、Ｙ：０．８９、Ｚ：４．０２、とし、傾き角は、α：２５．７３、β：０．００、γ：０．００、とする。

第２光学面６ｂは、自由曲面項を、Ｃ_４：−２．５７８１×１０^−２、Ｃ_６：−２．７７２０×１０^−２、Ｃ_８：−１．１２４４×１０^−３、Ｃ_１０：２．８７９２×１０^−４、とし、偏心量は、Ｘ：０．００、Ｙ：２．４６、Ｚ：１２．１７、とし、傾き角は、α：４．３４、β：０．００、γ：０．００、とする。

第３光学面６ｃは、自由曲面項を、Ｃ_４：−５．２９１３×１０^−２、Ｃ_６：−２．７６０２×１０^−２、Ｃ_８：−１．５９３４×１０^−４、Ｃ_１０：−７．４１９２×１０^−４、Ｃ_１１：−１．１３２０×１０^−４、Ｃ_１３：１．２２５５×１０^−４、Ｃ_１５：２．１７００×１０^−６、とし、偏心量は、Ｘ：０．００、Ｙ：７．４１、Ｚ：５．０２、とし、傾き角は、α：７３．６８、β：０．００、γ：０．００、とする。

第４光学面６ｄは、自由曲面項を、Ｃ_４：６．８１４９×１０^−２、Ｃ_６：９．４７８１×１０^−３、Ｃ_８：−２．６６６７×１０^−３、Ｃ_１０：２．０９１０×１０^−４、Ｃ_１１：−４．３８８３×１０^−４、Ｃ_１３：−１．７９８４×１０^−４、とし、偏心量は、Ｘ：０．００、Ｙ：−２．８７、Ｚ：７．３５、とし、傾き角は、α：１１９．３２、β：０．００、γ：０．００、とする。

また、第４光学面６ｄから所定の距離を隔てた結像面における偏心量は、Ｘ：０．００、Ｙ：−６２０．５３、Ｚ：−１５７．５３、とし、傾き角は、α：７４．９９、β：０．００、γ：０．００、とする。

なお、第１光学面６ａ〜第４光学面６ｄにおいて、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。また、長さの単位は、ｍｍである。

本実施の形態では、上記のように自由曲面プリズム６を構成することにより、入射瞳径１．０ｍｍで、ビーム走査部５による合成光の偏向角（画角）が、２０°（水平）×１５．０７°（垂直）の場合に、自由曲面プリズム６から射出する合成光の偏向角を、３８．３５°（水平）×２７．２９°（垂直）に拡大することができる。

図２は、図１に示した光走査型プロジェクタの回路構成を示す機能ブロック図である。図２において、表示すべき画像信号は、制御部２１および同期信号生成部２２に供給する。制御部２１は、入力した画像信号に基づいて、ＲＧＢの各色信号を生成し、Ｒ信号に基づいてレーザ光源１１Ｒを駆動し、Ｇ信号に基づいて光変調素子１２を駆動し、Ｂ信号に基づいてレーザ光源１１Ｂを駆動する。なお、レーザ光源１１Ｇは、制御部２１により、Ｇ光を連続して発生するように駆動する。これにより、光源部２から、カラー画像信号を構成するＲＢＧの各変調光を同時に射出する。、

また、同期信号生成部２２は、入力した画像信号に基づいて、水平同期信号および垂直同期信号を生成し、これらの同期信号に基づいて、ドライバ２３を介してビーム走査部５を駆動する。これにより、ビーム整形部４からのＲＧＢの変調された合成光を２次元方向に偏向して、自由曲面プリズム６に入射させる。

以上のように、本実施の形態によれば、光源部２からのＲＧＢの各変調光を、色合成部３で同軸上に合成するとともに、ビーム走査部５で偏向される合成光を、自由曲面プリズム６により偏向角を拡大して投影するようにしたので、使用環境に左右されることなく、狭いスペースにおいても、小型でありながら、広画角の画像を高解像度で表示することができる。しかも、光源部２においては、変調されたＲＧＢの各変調光を、対応するコリメータレンズ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂで平行光とした後、対応する絞り１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂで視野を制限して小ビーム径にした上で、自由曲面プリズム６の結像機能によって、より高解像度の画像表示が可能となる。

また、自由曲面プリズム６は、表示する画像の垂直方向において、第１光学面６ａへの合成光の入射光軸と、第４光学面６ｄからの合成光の出射光軸との成す角度が、ビーム走査部５による合成光の偏向範囲において最大で９０°未満となるように構成したので、限られたスペースに効率よく素子を配置でき、超小型の光学レイアウトが可能となる。特に、上記の入射光軸と出射光軸との成す角度を、例えば最大で７０°とすれば、水平から２０°上方に仰角を与えて画像を投影することができるので、光走査型プロジェクタ１を机上に置いた場合は、机の表面で画像がけられることなく、ほぼ垂直の表示部８に画像全体を投影表示することができる。

また、ビーム走査部５は、入射する合成光を、光源部２からの各変調光の出射方向と反対方向（図１において、紙面垂直下方向）に偏向して出射させるように配置したので、限られたスペースに効率よく素子を配置でき、超小型の光学レイアウトが可能となる。したがって、上記の自由曲面プリズム６による光路の折り曲げと相俟って、最小の光学レイアウトで、ビーム走査部５への合成光の入射方向とほぼ同等の方向へ画像を表示することが可能となる。

さらに、本実施の形態では、自由曲面プリズム６に結像機能を持たせて、第４光学面６ｄから射出する合成光を、所定の距離を隔てた位置で結像させてビームウエストを形成し、所定の距離以上では、合成光により表示される画像の偏向全角を２θとするとき、合成光のビーム直径がtanθに比例近似して大きくなるようにしている。したがって、例えば、出射開口７から６０ｃｍの位置でビームウエストを形成するように構成した場合は、自由曲面プリズム６から射出される合成光のビーム径は、出射開口７からの距離に応じて、例えば図３に示すように変化することになる。この場合、出射開口７から６０ｃｍの位置で、合成光のビーム径が回折限界の最小径となるので、自由曲面プリズム６から射出する合成光の偏向角が、上記のように、３８．３５°（水平）×２７．２９°（垂直）とすると、この位置では、Ａ３サイズ（４２０ｍｍ×２９７ｍｍ）をカバーする、ほぼ４７５ｍｍ×３１０ｍｍの画面サイズで、画像を高精細で表示することができる。また、出射開口７から６０ｃｍ以上の距離では、合成光のビーム径は、偏向角の広がりに比例して大きくなるので、その距離依存性に合わせて適切な画素サイズを得ることができ、走査線が目立ったり、ボケすぎたりしない適切な画像を広い距離範囲で得ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、ＲＧＢの各色光を発生する光源は、レーザ光源に限らず、発光ダイオードを用いることもできる。この場合、各色光の発光ダイオードを、対応する色信号に基づいて駆動して、変調光を直接射出するように構成することもできるし、各色光の発光ダイオードは、常時発光させて、対応する光変調素子を色信号に基づいて駆動して、変調光を射出するように構成することもできる。また、ビーム走査部５は、ポリゴンミラーと回動ミラー、または２枚の回動ミラーを用いて、合成光を２次元方向に偏向するように構成することもできる。

さらに、自由曲面プリズム６は、出射開口７の近傍の装置外部で合成光のビームウエストを形成するように構成することもできる。この場合、自由曲面プリズム６から射出される合成光のビーム径は、出射開口７からの距離に応じて、例えば図４に示すように変化することになるので、出射開口７の直後から、適切なビーム径を得ることができ、広い距離範囲で鮮鋭な画像を表示することができる。また、自由曲面プリズム６は、結像機能を有することなく、ビーム走査部５からの合成光を、平行光として、偏光角を拡大して射出するよう構成することもできる。また、図１において、光走査型プロジェクタ１の上面や側面を下側に設置するなど、装置全体を回転して設置できるようにして、水平方向を中心に投光可能に構成することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る光走査型プロジェクタの光学系の概略構成を示す図である。 図１に示した光走査型プロジェクタの回路構成を示す機能ブロック図である。 図１に示した自由曲面プリズムから射出される合成光のビーム径の距離依存性を示す図である。 自由曲面プリズムの変形例による合成光のビーム径の距離依存性を示す図である。

符号の説明

１ 光走査型プロジェクタ
２ 光源部
３ 色合成部
４ ビーム整形部
４ａ，４ｂ クサビプリズム
５ ビーム走査部
６ 自由曲面プリズム
６ａ〜６ｄ 光学面
７ 出射開口
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ レーザ光源
１２ 光変調素子
１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ コリメータレンズ
１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ 絞り
１６ 反射ミラー
１７ 第１ダイクロイックプリズム
１８ 第２ダイクロイックプリズム
２１ 制御部
２２ 同期信号生成部
２３ ドライバ

Claims (8)

1. 画像信号に基づいて変調された複数の異なる色光を発生する光源部と、
   該光源部からの複数の色光を同軸上に合成する色合成部と、
   該色合成部で合成された合成光を、前記画像信号に応じて２次元方向に偏向するビーム走査部と、
   非回転対象形状の複数の光学面を有し、前記ビーム走査部で偏向された前記合成光を、少なくとも偏向角を拡大して投光する自由曲面プリズムと、を具備し、
   前記自由曲面プリズムから投光される前記合成光により画像を表示することを特徴とする光走査型プロジェクタ。
2. 前記光源部は、変調された複数の色光の各々に対応して設けられたコリメータレンズと、該コリメータレンズを経た色光のビーム径を制限する絞りと、を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査型プロジェクタ。
3. 前記自由曲面プリズムは、透過作用を有する透過領域および内部反射作用を有する内部反射領域を有する第１光学面と、内部反射作用を有する第２光学面および第３光学面と、透過作用を有する第４光学面とを有し、
   前記ビーム走査部からの前記合成光を、前記第１光学面の前記透過領域から該自由曲面プリズム内部に入射させて、前記第２光学面、前記第１光学面の前記内部反射領域および前記第３光学面で順次反射させてから、前記第４光学面を透過させて、前記第１光学面への入射方向とは交差する方向に出射させるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の光走査型プロジェクタ。
4. 前記自由曲面プリズムは、表示する画像の垂直方向において、前記第１光学面への前記合成光の入射光軸と、前記第４光学面からの前記合成光の出射光軸との成す角度が、前記ビーム走査部による前記合成光の偏向範囲において最大で９０°未満となるように構成したことを特徴とする請求項３に記載の光走査型プロジェクタ。
5. 前記ビーム走査部は、前記ビーム整形部からの前記合成光の入射光軸と、前記自由曲面プリズムへの前記合成光の出射光軸との成す角度が、当該ビーム走査部による前記合成光の偏向範囲の中心において、ほぼ直交するように構成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタ。
6. 前記光源部は、少なくとも一つの色光に関し、当該色光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光を前記画像信号に基づいて変調する光変調素子と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタ。
7. 前記自由曲面プリズムは、当該自由曲面プリズムから所定の距離を隔てた位置で、投光する前記合成光のビームウエストを形成し、所定の距離以上では、前記合成光により表示される画像の偏向全角を２θとするとき、前記合成光のビーム直径がtanθに比例近似して大きくなるように、結像機能を有して構成したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタ。
8. 前記自由曲面プリズムから投光される前記合成光を装置外部に出射するための出射開口を有し、前記自由曲面プリズムは、前記出射開口の近傍の装置外部で、前記合成光のビームウエストを形成するように構成したことを特徴とする請求項７に記載の光走査型プロジェクタ。

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