JP2010032797A - 光走査型プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】使用環境に左右されず、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、かつ高画質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（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）と、光束径を拡大するビームエキスパンダ１５を含み、光源部から発生された複数の異なる色光の光束径をほぼ等しくする光束径調整部（３Ｒ，３Ｂ，４Ｒ，４Ｂ）と、光束径が調整された複数の色光を同軸上に合成する色合成部（５，６，８，１２，１３）と、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１７と、非回転対象形状の複数の光学面１８ａ〜１８ｄを有し、ビーム走査部１７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１８と、を具備し、自由曲面プリズム１８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。

さらに、Ｒ，Ｇ，Ｂ光をそれぞれレーザ光源から出射させる場合、各レーザ光源の出射光の光束形状および光量分布は、必ずしも一致しない。特に、Ｒ光およびＢ光については、それぞれ半導体レーザを使用し、Ｇ光については、半導体励起個体（ＤＰＳＳ：Diode Pumping Solid State）レーザを使用する場合、半導体レーザは、光束形状が楕円形で光量分布が偏った発散光を出射するのに対して、ＤＰＳＳレーザは、例えば、光束形状がほぼ７０μｍの円形で光量分布が均一の平行光を出射する。なお、このようなＤＰＳＳレーザは、例えば、メレスグリオ社製のグリーンレーザが知られている。

この場合、半導体レーザの出射光を、ＤＰＳＳレーザの光束径とほぼ等しくなるように、コリメータレンズにより平行光にすることが考えられるが、半導体レーザの出射光を、光束径がほぼ７０μｍの円形で、光量分布が均一の光束にするのは困難である。しかも、光走査型プロジェクタは、画像を拡大投光することから、各色光の光束径を、ＤＰＳＳレーザの光束径に合わせると、光束径が細過ぎて、表示画像の画質が低下す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、かつ高画質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、
光束径を拡大するビームエキスパンダを含み、前記光源部から発生された前記複数の異なる色光の光束径をほぼ等しくする光束径調整部と、
該光束径調整部により光束径が調整された前記複数の異なる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、赤色光の拡散光を発生する赤色半導体レーザと、青色光の拡散光を発生する青色半導体レーザと、緑色光の平行光を発生する緑色半導体励起個体レーザと、を有し、
前記光束径調整部は、前記半導体励起個体緑色レーザから発生された緑色光の光束径を拡大する前記ビームエキスパンダと、前記赤色半導体レーザから発生された赤色光の拡散光を平行光にする第１コリメータレンズと、該第１コリメータレンズを経た赤色光の光束径を制限する第１絞りと、前記青色半導体レーザから発生された青色光の拡散光を平行光にする第２コリメータレンズと、該第２コリメータレンズを経た青色光の光束径を制限する第２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２に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記色合成部は、前記赤色光と前記青色光とを合成する第１合成素子と、該第１合成素子による赤青合成光と前記緑色光とを合成して前記合成光を生成する第２合成素子と、を有する、
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、
前記赤色半導体レーザ、前記青色半導体レーザおよび前記緑色半導体励起個体レーザは、前記赤色光、前記青色光および前記緑色光をぞれぞれ同一方向に出射するように配置し、
前記色合成部は、前記緑色半導体励起個体レーザから出射された前記緑色光を反射させて、前記第１合成素子から出射される前記赤青合成光とほぼ平行にする第１反射ミラーと、該第１反射ミラーで反射された緑色光を反射させて前記第２合成素子に入射させる第２反射ミラーと、を有し、
前記ビームエキスパンダは、前記第１反射ミラーと前記第２反射ミラーとの間に配置した、
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３に記載の光走査型プロジェクタにおいて、
前記赤色半導体レーザ、前記青色半導体レーザおよび前記緑色半導体励起個体レーザは、前記赤色光、前記青色光および前記緑色光をぞれぞれ同一方向に出射するように配置し、
前記色合成部は、前記緑色半導体励起個体レーザから出射される前記緑色光を、前記ビームエキスパンダを経て前記第２合成素子に入射させ、前記赤青合成光は、前記第１合成素子から前記緑色光とほぼ平行に出射させて、該赤青合成光を第３反射ミラーで反射させて前記第２合成素子に入射させる、
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７に係る発明は、請求項６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８に係る発明は、請求項１乃至７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、前記色合成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９に係る発明は、請求項１乃至８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１０に係る発明は、請求項９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、ビームエキスパンダを含む光束径調整部により光束径をほぼ等しく調整して、色合成部で同軸上に合成し、その合成光をビーム走査部で画像信号に応じて２次元方向に偏向して、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、かつ高画質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。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１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、Ｒ光を発生するレーザ光源２Ｒと、Ｇ光を発生するレーザ光源２Ｇと、Ｂ光を発生するレーザ光源２Ｂとを有する。これらレーザ光源２Ｒ，２Ｇおよび２Ｂは、Ｒ光、Ｇ光およびＢ光を同一方向（図１では、紙面上方向）に出射するように、図１においては、左から右側に、レーザ光源２Ｇ、レーザ光源２Ｒ、レーザ光源２Ｂの順で並べて配置する。

レーザ光源２Ｒは、例えば、半導体レーザで構成し、該半導体レーザを、表示すべき画像信号のＲ信号に基づいて駆動することによりＲ変調光を出射させる。このレーザ光源２Ｒから拡散して出射されるＲ変調光は、第１コリメータレンズ３Ｒで平行光とした後、第１絞り４Ｒを経て、反射ミラー５でほぼ直角（図１では、紙面右方向）に反射させて、第１合成素子である第１ダイクロイックプリズム６に入射させる。

同様に、レーザ光源２Ｂは、例えば、半導体レーザで構成し、該半導体レーザを、表示すべき画像信号のＢ信号に基づいて駆動することによりＢ変調光を出射させる。このレーザ光源２Ｂから拡散して出射されるＢ変調光は、第２コリメータレンズ３Ｂで平行光とした後、第２絞り４Ｂを経て第１ダイクロイックプリズム６に入射させる。

第１ダイクロイックプリズム６は、入射するＲ変調光を透過させ、Ｂ変調光はほぼ直角（図１では、紙面右方向）に反射させることにより、Ｒ変調光とＢ変調光とを合成してＲＢ合成光を生成し、このＲＢ合成光をビーム整形部７に入射させる。

ビーム整形部７は、２個のクサビプリズム７ａ，７ｂを有し、入射するＲＢ合成光のビーム断面形状を、光量分布がほぼ均一で円形、本実施の形態ではほぼ１ｍｍの光束径に整形する。このビーム整形部７でビーム整形されたＲＢ合成光は、第２ダイクロイックプリズム８に入射させる。

一方、レーザ光源２Ｇは、例えば、赤外光を発生する半導体レーザ１１ａと、該半導体レーザ１１ａからのレーザ光により励起されて第２高調波のＧ光を発生する非線形光学結晶、および発生したＧ光を光束径がほぼ７０μｍの平行光として出射させる光学系、を含むＳＨＧ（Second Harmonic Generation）光学系１１ｂと、を有するＤＰＳＳレーザで構成し、半導体レーザ１１ａを、表示すべき画像信号のＧ信号に基づいて駆動することにより、ＳＨＧ光学系１１ｂから光束径がほぼ７０μｍの円形で、光量分布がほぼ均一の平行光のＧ変調光を出射させる。

このレーザ光源２Ｇから出射されるＧ変調光は、第１ダイクロイックプリズム６による赤青合成光の光路と平行となるように、第１反射ミラー１２でほぼ直角（図１では、紙面右方向）に反射させた後、第２反射ミラー１３でレーザ光源２Ｇからの出射方向とほぼ反対方向（図１では、紙面下方向）に反射させて、第２ダイクロイックプリズム８に入射させる。

本実施の形態では、第１反射ミラー１２と第２反射ミラー１３との間のＧ変調光の光路中に、ビームエキスパンダ１５を配置する。ビームエキスパンダ１５は、例えば、２つの単凸レンズ１５ａ，１５ｂで構成する。入射側の単凸レンズ１５ａは、その焦点距離f1を、例えば、f1＝２ｍｍ、とし、出射側の単凸レンズ１５ｂは、その焦点距離f2を、例えば、f2＝３０ｍｍ、として、Ｒ変調光の光束径を３０／２倍して、ほぼ７０μｍからほぼ１ｍｍに拡大する。

第２ダイクロイックプリズム８は、入射するＲＢ合成光を透過させ、Ｇ変調光はほぼ直角（図１では、紙面右方向）に反射させることにより、ＲＢ合成光とＧ変調光とを合成してＲＧＢの合成光を生成し、この合成光をビーム走査部１７に入射させる。

ビーム走査部１７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、第２ダイクロイックプリズム８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。このビーム走査部１７で偏向された合成光は、自由曲面プリズム１８および出射開口１９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２０に投光して画像を表示する。

本実施の形態では、ビーム走査部１７により、第２ダイクロイックプリズム８からの合成光の入射光軸と、自由曲面プリズム１８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、第２ダイクロイックプリズム８からの合成光を、各レーザ光源からの各変調光の出射方向と反対方向（図１において、紙面下方向）に偏向して出射させる。

したがって、本実施の形態において、レーザ光源２Ｒ，２Ｇおよび２Ｂは、光源部を構成し、第１コリメータレンズ３Ｒ、第１絞り４Ｒ、第２コリメータレンズ３Ｂ、第２絞り４Ｂ、およびビームエキスパンダ１５は、光束径調整部を構成し、反射ミラー５、第１ダイクロイックプリズム６、第１反射ミラー１２、第２反射ミラー１３、および第２ダイクロイックプリズム８は、色合成部を構成している。

次に、自由曲面プリズム１８について説明する。自由曲面プリズム１８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１８ａ〜第４光学面１８ｄを有して構成する。第１光学面１８ａ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１８ｂおよび第３光学面１８ｃ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１８ｄ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１８には、ビーム走査部１７で偏向された合成光を、第１光学面１８ａの透過領域からプリズム内部に入射させて、第２光学面１８ｂ、第１光学面１８ａの内部反射領域および第３光学面１８ｃで順次反射させ、この第３光学面１８ｃで反射された合成光を、第４光学面１８ｄから投光して、出射開口１９を経て外部に出射させる。これにより、自由曲面プリズム１８において、ビーム走査部１７から第１光学面１８ａに入射する合成光を、第４光学面１８ｄ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１８ａへの合成光の入射光軸と、第４光学面１８ｄからの合成光の出射光軸との成す角度が、ビーム走査部１７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１８を構成する。

また、本実施の形態では、自由曲面プリズム１８に結像機能を持たせて、合成光を第２光学面１８ｂで反射させた後、第１光学面１８ａ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１８ｄから所定の距離を隔てた位置、例えば、出射開口１９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１８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１８を含む光学系の入射瞳の中心を通り、表示部２０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２０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１８ａ〜第４光学面１８ｄ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。

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１８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１８ａ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１８ｂ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１８ｃ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１８ｄ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１８ｄ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１８ａ〜第４光学面１８ｄ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１８を構成することにより、入射瞳径１．０ｍｍで、ビーム走査部１７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１８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２Ｒを駆動し、Ｇ信号に基づいてレーザ光源２Ｇを駆動し、Ｂ信号に基づいてレーザ光源２Ｂを駆動する。これにより、レーザ光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂから、カラー画像を形成するＲＢＧの各変調光を同時に出射する。

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１７を駆動する。これにより、第２ダイクロイックプリズム８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１８に入射させる。

以上のように、本実施の形態によれば、レーザ光源２Ｒ，２Ｇ，２ＢからのＲＧＢの変調光を同軸上に合成するとともに、ビーム走査部１７で偏向される合成光を、自由曲面プリズム１８により偏向角を拡大して投光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、レーザ光源２Ｒ，２Ｂから拡散して出射される各変調光は、対応する第１，第２コリメータレンズ３Ｒ，３Ｂおよび第１，第２絞り４Ｒ，４Ｂを経て第１ダイクロイックプリズム６で合成した後、その合成光を、ビーム整形部７で光束径がほぼ１ｍｍで、光量分布がほぼ均一の断面円形の合成光に整形し、レーザ光源２Ｇから平行光として出射される光束径がほぼ７０μｍの円形で、光量分布が均一のＧ変調光は、ビームエキスパンダ１５により光束径を拡大してほぼ１ｍｍに揃えるようにしたので、表示部２０上で各変調光のスポットを同径で重畳できる。したがって、自由曲面プリズム１８の結像機能と相俟って、画像をより高解像度で、かつ高画質で表示することができる。

また、レーザ光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは、レーザ光源２Ｇが外側で、各変調光を同一方向に出射するように並べて配置している。そして、レーザ光源２Ｒ，２Ｂからの各変調光は、光路を９０度折り曲げて第１ダイクロイックプリズム６により合成して第２ダイクロイックプリズム８を透過させ、レーザ光源２ＧからのＧ変調光の光路は、第１反射ミラー１２により反射させて、第１ダイクロイックプリズム６から出射されるＲＢ合成光の光路とほぼ平行にして、ビームエキスパンダ１５で拡大してから第２反射ミラー１３で反射させ、さらに第２ダイクロイックプリズム８で反射させてＲＢ合成光と合成している。したがって、Ｇ変調光について、ビームエキスパンダ１５を構成する２つの単凸レンズ１５ａ，１５ｂの焦点距離（f1+f2）分の光路長を充分確保しながら、全体をコンパクトに配置することができ、より小型化を図ることができる。

また、自由曲面プリズム１８は、表示する画像の垂直方向において、第１光学面１８ａへの合成光の入射光軸と、第４光学面１８ｄからの合成光の出射光軸との成す角度が、ビーム走査部１７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光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２０に画像全体を投光表示することができる。

また、ビーム走査部１７は、入射する合成光を、レーザ光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ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１８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１７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１８に結像機能を持たせて、第４光学面１８ｄ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１９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１８から射出される合成光の光束径は、出射開口１９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１９から６０ｃｍの位置で、合成光の光束径が回折限界の最小径となるので、自由曲面プリズム１８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１９から６０ｃｍ以上の距離では、合成光の光束径は、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。

（第２実施の形態）
図４は、本発明の第１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４１は、第１実施の形態において、レーザ光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂを、図４において、紙面上から下側に、レーザ光源２Ｇ、レーザ光源２Ｂ、レーザ光源２Ｒの順で並べて配置して、各変調光を紙面右方向にほぼ平行に出射させる。

レーザ光源２ＧからのＧ変調光は、ビームエキスパンダ１５により光束径を拡大した後、第２ダイクロイックプリズム８に入射させて、該第２ダイクロイックプリズム８を透過させる。レーザ光源２ＢからのＢ変調光は、第２コリメータレンズ３Ｂおよび第２絞り４Ｂにより光束径を調整して、第１ダイクロイックプリズム６を透過させる。レーザ光源２ＲからのＲ変調光は、第１コリメータレンズ３Ｒおよび第１絞り４Ｒにより光束径を調整した後、反射ミラー５で、図４において紙面上方向に反射させて第１ダイクロイックプリズム６に入射させ、該第１ダイクロイックプリズム６で、図４において紙面右方向に反射させてＢ変調光と合成する。

第１ダイクロイックプリズム６で合成されたＲＢ合成光は、ビーム整形部７を経て第３反射ミラー４２で、図４において紙面上方向に反射させて第２ダイクロイックプリズム８に入射させ、該第２ダイクロイックプリズム８で、図４において紙面右方向に反射させてＧ変調光と合成して、ＲＧＢの合成光を生成する。この第２ダイクロイックプリズム８で合成されたＲＧＢの合成光は、第１実施の形態と同様に、ビーム走査部１７、自由曲面プリズム１８および出射開口１９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２０に投光して画像を表示する。

本実施の形態では、並べて配置したレーザ光源２Ｒ，２Ｇ，２Ｂのうち、一方の外側に配置したレーザ光源２ＧからのＧ変調光は、ビームエキスパンダ１５を経て第２ダイクロイックプリズム８を透過させ、中央に配置したレーザ光源２ＢからのＢ変調光は、光束径を調整した後、第１ダイクロイックプリズム６を透過させ、他方の外側に配置したレーザ光源２ＲからのＲ変調光は、光束径を調整した後、反射ミラー５で反射させ、さらに第１ダイクロイックプリズム６で反射させてＢ変調光と合成して、Ｇ変調光の光路とほぼ平行に出射させている。そして、第１ダイクロイックプリズム６で合成されたＲＢ合成光を、第３反射ミラー４２で反射させて第２ダイクロイックプリズム８に入射させることにより、Ｇ変調光と合成している。したがって、第１実施の形態の場合と同様に、全体をコンパクトに配置することができるので、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、かつ高画質で表示することができる。

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、上記実施の形態において、レーザ光源２Ｒとレーザ光源２Ｂとの配置は、逆とすることもできる。また、第１ダイクロイックプリズム６による合成は、Ｒ変調光とＢ変調光との合成に限らず、Ｒ変調光とＧ変調光との合成、あるいは、Ｂ変調光とＧ変調光との合成とし、第２ダイクロイックプリズム８で残りの色変調光を合成して、ＲＧＢの合成光を得るように構成することもできる。さらに、反射ミラー５に代えて、誘電体多層膜を有する全反射プリズムを用いたり、第１ダイクロイックプリズム６および第２ダイクロイックプリズム８に代えて、それぞれダイクロイックミラーを用いたり、することもできる。

また、ＲＧＢの各色光を発生する光源は、半導体レーザやＤＰＳＳレーザに限らず、発光ダイオード等、各種の光源を用いることができる。いずれの光源を用いる場合でも、ビームエキスパンダを含む光束径調整部により、各色光の光束径を揃えればよい。さらに、各色の変調光は、対応する光源から直接出射させる構成に限らず、光源から対応する色光を常時出射させ、その色光を光変調素子により対応する色信号で変調して、色変調光を生成するように構成することもできる。また、ビーム走査部１７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１８は、出射開口１９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１８から射出される合成光の光束径は、出射開口１９からの距離に応じて、例えば図５に示すように変化することになるので、出射開口１９の直後から、適切な光束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１８は、結像機能を有することなく、ビーム走査部１７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または図４において、光走査型プロジェクタ１または４１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。

本発明の第１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光束径の距離依存性を示す図である。 本発明の第２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。 自由曲面プリズムの変形例による合成光の光束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
２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ レーザ光源
３Ｒ 第１コリメータレンズ
３Ｂ 第２コリメータレンズ
４Ｒ 第１絞り
４Ｂ 第２絞り
５ 反射ミラー
６ 第１ダイクロイックプリズム
７ ビーム整形部
７ａ，７ｂ クサビプリズム
８ 第２ダイクロイックプリズム
１１ａ 半導体レーザ
１１ｂ ＳＨＧ光学系
１２ 第１反射ミラー
１３ 第２反射ミラー
１５ ビームエキスパンダ
１５ａ，１５ｂ 単凸レンズ
１７ ビーム走査部
１８ 自由曲面プリズム
１８ａ〜１８ｄ 光学面
１９ 出射開口
２０ 表示部
２１ 制御部
２２ 同期信号生成部
２３ ドライバ
４１ 光走査型プロジェクタ
４２ 第３反射ミラー

Claims (10)

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、
   光束径を拡大するビームエキスパンダを含み、前記光源部から発生された前記複数の異なる色光の光束径をほぼ等しくする光束径調整部と、
   該光束径調整部により光束径が調整された前記複数の異なる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、赤色光の拡散光を発生する赤色半導体レーザと、青色光の拡散光を発生する青色半導体レーザと、緑色光の平行光を発生する緑色半導体励起個体レーザと、を有し、
   前記光束径調整部は、前記半導体励起個体緑色レーザから発生された緑色光の光束径を拡大する前記ビームエキスパンダと、前記赤色半導体レーザから発生された赤色光の拡散光を平行光にする第１コリメータレンズと、該第１コリメータレンズを経た赤色光の光束径を制限する第１絞りと、前記青色半導体レーザから発生された青色光の拡散光を平行光にする第２コリメータレンズと、該第２コリメータレンズを経た青色光の光束径を制限する第２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. 前記色合成部は、前記赤色光と前記青色光とを合成する第１合成素子と、該第１合成素子による赤青合成光と前記緑色光とを合成して前記合成光を生成する第２合成素子と、を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光走査型プロジェクタ。
4. 前記赤色半導体レーザ、前記青色半導体レーザおよび前記緑色半導体励起個体レーザは、前記赤色光、前記青色光および前記緑色光をぞれぞれ同一方向に出射するように配置し、
   前記色合成部は、前記緑色半導体励起個体レーザから出射された前記緑色光を反射させて、前記第１合成素子から出射される前記赤青合成光とほぼ平行にする第１反射ミラーと、該第１反射ミラーで反射された緑色光を反射させて前記第２合成素子に入射させる第２反射ミラーと、を有し、
   前記ビームエキスパンダは、前記第１反射ミラーと前記第２反射ミラーとの間に配置した、
   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. 前記赤色半導体レーザ、前記青色半導体レーザおよび前記緑色半導体励起個体レーザは、前記赤色光、前記青色光および前記緑色光をぞれぞれ同一方向に出射するように配置し、
   前記色合成部は、前記緑色半導体励起個体レーザから出射される前記緑色光を、前記ビームエキスパンダを経て前記第２合成素子に入射させ、前記赤青合成光は、前記第１合成素子から前記緑色光とほぼ平行に出射させて、該赤青合成光を第３反射ミラーで反射させて前記第２合成素子に入射させる、
   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。
6. 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、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６に記載の光走査型プロジェクタ。
8. 前記ビーム走査部は、前記色合成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７のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタ。
9. 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８のいずれか一項に記載の光走査型プロジェクタ。
10. 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９に記載の光走査型プロジェクタ。

Images