JP2013003520A - 歪み補正プリズムとそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２次元走査ミラーで生じる画像の歪みを良好に補正できる高い光学性能を有し、設置や組み込みの容易な小型の歪み補正プリズムと、それを備えた小型・薄型の光学装置を提供する。
【解決手段】歪み補正プリズムＰＲは、第１，第２プリズムＰ１，Ｐ２から成る接合プリズムである。第１光学面Ｓ１−１と第３光学面Ｓ２−１とが接合されており、第１，第２光学面Ｓ１−１，Ｓ１−２に対して垂直な平面は第１走査方向Ｖに対して平行である。第１，第２光学面Ｓ１−１，Ｓ１−２で形成される頂角Ｋ１が、第３，第４光学面Ｓ２−１，Ｓ２−２で形成される頂角Ｋ２よりも大きく、頂角Ｋ１とＫ２との差が第２，第４光学面Ｓ１−２，Ｓ２−２で形成される頂角Ｋ３と等しく、第１プリズムの分散が第２プリズムの分散よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は歪み補正プリズムとそれを用いた光学装置に関するものであり、例えば、２次元走査ミラーで生じる画像歪みを補正する歪み補正プリズムと、それを用いた画像投影装置，画像取得装置等の光学装置に関するものである。

レーザープロジェクタ等の２次元走査型画像投影装置が、小型の画像投影装置として従来より知られている。例えば、レーザープロジェクタに採用されているレーザー走査方式の場合、レーザー光を互いに直交する第１，第２走査方向に偏向させ、スクリーン面上をビームスポットで２次元的に走査することにより、２次元の画像形成が行われる。レーザー光の偏向にはＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー等の小さな２次元走査ミラーが用いられ、また、偏向走査に追随してレーザー光の輝度変調が行われる。

上記レーザー走査型の画像投影装置には様々な特長がある。例えば、偏向用の反射ミラーがデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)等の光変調素子と比較して小さいこと、光源がレーザー光源であり、レーザー光を偏向反射ミラーに照射するだけなので、そのための入射光学系を小さくできること、スクリーン面上をビームスポットで走査するだけなので、光変調素子の２次元画像を投影する投影光学系と比較すると走査レンズ系を小さくできたり、あるいは走査レンズ系を不要にできたりすること等である。したがって、このレーザー走査方式を採用すると光学装置の小型化が可能である。

上記レーザー走査型の画像投影装置の従来例として、特許文献１，２に記載のものが知られている。特許文献１記載の画像投影装置では、ＭＥＭＳミラーにレーザー光を入射させる際、台形状の歪みの発生を抑えるために全反射プリズムや偏光ビームスプリッタ等の光学素子が用いられている。特許文献２記載の画像投影装置では、ＭＥＭＳミラーの前方にくさび状のプリズムを配置して、ＭＥＭＳミラーで発生する糸巻き状の歪みを補正しており、さらにくさび状のプリズムを分散の異なる２つのプリズムの組み合わせで構成することにより、色補正も可能としている。

ＵＳ２００９／０１４１２４４ ＵＳ２０１０／００６０８６３

特許文献１記載の画像投影装置は、入射光と反射光との分離に全反射プリズムや偏光ビームスプリッタ等を用いて、立体的な光線の取り回しを行う複雑な構成になっている。しかも、ＭＥＭＳミラーへの光束の幅等を考慮した具体的な設計になっておらず、ＭＥＭＳミラーを広い走査角度で使用するための構成も示されていない。したがって、非常に大きな走査角度での画像の歪みや色収差の補正は困難である。特許文献２記載の画像投影装置では、くさび状のプリズムの外側からＭＥＭＳミラーに入射光を入射させる構成の場合、くさび状のプリズムをＭＥＭＳミラーから離す必要があり、結果として光学装置全体が大きくなってしまう。このように特許文献１，２記載の画像投影装置では、ＭＥＭＳミラーで発生する歪みを補正するために、光学装置全体の複雑化・大型化を招いている。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、２次元走査ミラーで生じる画像の歪みを良好に補正できる高い光学性能を有し、設置や組み込みの容易な小型の歪み補正プリズムと、それを備えた高性能で小型・薄型の光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の歪み補正プリズムは、互いに直交する第１，第２走査方向に偏向した光から成る画像に歪みが生じないように補正するための歪み補正プリズムであって、第１プリズムと第２プリズムとを接合して成る接合プリズムであり、前記第１プリズムが有する一対の光学平面を第１，第２光学面とし、前記第２プリズムが有する一対の光学平面を第３，第４光学面とすると、第１，第２光学面のうちの一方と第３，第４光学面のうちの一方とが接合されており、第１光学面及び第２光学面に対して垂直な平面が第１走査方向に対して平行であり、第１光学面及び第２光学面に対して垂直な平面に対して垂直な光学平面を、第０光学面として第１プリズムが更に有し、第１光学面と第２光学面とで形成される頂角が、第３光学面と第４光学面とで形成される頂角よりも大きく、第１光学面と第２光学面とで形成される頂角と、第３光学面と第４光学面とで形成される頂角と、の差が、第１〜第４光学面のうち接合に用いられていない一対の光学面で形成される頂角と等しく、第１プリズムの分散が第２プリズムの分散よりも小さいことを特徴とする。

第２の発明の光学装置は、上記第１の発明に係る歪み補正プリズムと、レーザー光源と、２方向の回動によりレーザー光を前記第１，第２走査方向に偏向反射させる２次元走査ミラーと、を有することを特徴とする。

第３の発明の光学装置は、上記第２の発明において、レーザー光が前記第０光学面から入射し、前記第１光学面で全反射され、前記第２光学面を透過し、前記２次元走査ミラーで反射され、前記第２光学面，前記第１光学面，前記第３光学面及び前記第４光学面を順に透過することを特徴とする。

第４の発明の光学装置は、上記第２の発明において、レーザー光が前記第０光学面から入射し、前記第１光学面で全反射され、前記第２光学面，前記第３光学面及び前記第４光学面を順に透過し、前記２次元走査ミラーで反射され、前記第４光学面，前記第３光学面，前記第２光学面及び前記第１光学面を順に透過することを特徴とする。

第５の発明の光学装置は、上記第２〜第４のいずれか１つの発明において、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
１＜Ｔ×ｔａｎ２（Φ−θ）／Ｄ＜５０ …（１）
ただし、
±θ：２次元走査ミラーの走査角度、
Φ：２次元走査ミラー面へのレーザー光の入射角度、
Ｄ：２次元走査ミラーの入射平面方向の有効径、
Ｔ：主光線（２次元走査ミラーの走査角度の中心で走査停止状態におけるレーザー光の光束中心を通る光線）のミラー法線方向における、２次元走査ミラー面からプリズム射出面までの距離、
である。

第６の発明の光学装置は、上記第２〜第５のいずれか１つの発明において、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする。
１＜Φ／θ＜８ …（２）
ただし、
±θ：２次元走査ミラーの走査角度、
Φ：２次元走査ミラー面へのレーザー光の入射角度、
である。

第７の発明の光学装置は、上記第２〜第６のいずれか１つの発明において、さらに、画像情報を入力する画像入力手段と、前記画像入力手段で入力した画像情報を処理する画像処理手段と、前記レーザー光源を駆動するレーザー駆動手段と、前記２次元走査ミラーを駆動するミラー駆動手段と、を有するレーザー走査方式の画像投影装置であって、前記画像処理手段で処理された画像情報を用いて前記レーザー光源及び２次元走査ミラーを駆動することにより、２次元的に偏向走査されたレーザー光でスクリーン面への２次元画像の投影を行うことを特徴とする。

第８の発明の光学装置は、上記第１の発明に係る歪み補正プリズムと、２方向の回動によりレーザー光を前記第１，第２走査方向に偏向させる２次元走査ミラーと、受光素子と、その受光素子からの信号を検出する信号検出手段と、前記２次元走査ミラーを駆動するミラー駆動手段と、前記２次元走査ミラーの位置を検出するミラー検出手段と、を有する走査型の画像取得装置であって、前記２次元走査ミラーを駆動させてミラー位置を検出することにより、ミラー検出位置での前記信号から２次元画像情報を得ることを特徴とする。

本発明によれば、非常に大きな走査角度においても２次元走査ミラーで生じる画像の歪みと色収差を良好に補正することができる。また、その小型・薄型の構成により設置や組み込みも容易である。そして、本発明に係る歪み補正プリズムを用いることにより、高性能で小型・薄型の光学装置（例えば、画像投影装置，画像取得装置）を実現することができる。

画像投影装置の第１の実施の形態を示す模式図。 画像投影装置の第２の実施の形態を示す模式図。 ２次元走査ミラーで生じる歪み（走査角度が小さい場合）を示す歪曲図。 ２次元走査ミラーで生じる歪み（走査角度が大きい場合）を示す歪曲図。 プリズム頂角とスクリーン上での画面の歪みとの関係を示す図。 プリズム頂角と水平走査方向の歪みとの関係を示すグラフ。 歪み量の定義を説明するための模式図。 色ズレ量の定義を説明するための模式図。 実施例１の光路図。 実施例１の光学断面図。 実施例１の歪曲図。 実施例２の光路図。 実施例２の光学断面図。 実施例２の歪曲図。 実施例３の光路図。 実施例３の光学断面図。 実施例３の歪曲図。 実施例４の光路図。 実施例４の光学断面図。 実施例４の歪曲図。 画像投影装置及び画像取得装置の概略構成例を示すブロック図。 レーザー光源から歪み補正プリズムまでを示す光学構成図。

以下、本発明に係る歪み補正プリズムとそれを用いた光学装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

図１，図２に、光学装置の第１，第２の実施の形態の概略構成を模式的に示す。第１，第２の実施の形態の光学装置は、レーザー光ＬＢの２次元的な偏向走査によりスクリーン面（被走査面）ＳＣに２次元画像を投影するレーザー走査方式の画像投影装置（レーザープロジェクタ）ＰＪであり、レーザー光源１，コリメータレンズ２，歪み補正プリズムＰＲ，ＭＥＭＳミラーＭＲ等を備えている。図１，図２では、レーザー光源１とコリメータレンズ２がそれぞれ１つだけ記載されているが、実際は図２２に示すように、ＲＧＢ別のレーザー光源１ａ，１ｂ，１ｃと、コリメータレンズ２ａ，２ｂ，２ｃと、色合成系ＤＸ（例えば、ダイクロイックミラー，ダイクロイックプリズム等）が設けられている。そして、レーザー光源１ａ，１ｂ，１ｃから射出したレーザー光ＬＢａ，ＬＢｂ，ＬＢｃは、コリメータレンズ２ａ，２ｂ，２ｃでそれぞれ平行光又は略平行光となった後、色合成系ＤＸで色合成されて、歪み補正プリズムＰＲの第０光学面Ｓ１−０に入射することになる。

ＭＥＭＳミラーＭＲは、２方向の回動によりレーザー光ＬＢを第１走査方向（Ｖ方向）と第２走査方向（Ｈ方向）に偏向反射させる２次元走査ミラーである。レーザー光源１から射出したレーザー光ＬＢは、コリメータレンズ２で平行光又は略平行光となって、歪み補正プリズムＰＲに入射する。歪み補正プリズムＰＲは、互いに直交する第１，第２走査方向Ｖ，Ｈに偏向したレーザー光ＬＢから成る画像に歪みが生じないように補正するためにＭＥＭＳミラーＭＲの前に配置される歪み補正用光学素子であって、第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２とを接合して成る接合プリズムで構成されている。第１プリズムＰ１の分散は第２プリズムＰ２の分散よりも小さくなっている。つまり、第１プリズムＰ１のアッベ数は第２プリズムＰ２のアッベ数よりも大きくなっている。

ここで、第１プリズムＰ１が有する一対の光学平面を第１光学面Ｓ１−１，第２光学面Ｓ１−２とし、第２プリズムＰ２が有する一対の光学平面を第３光学面Ｓ２−１，第４光学面Ｓ２−２とする。第１の実施の形態（図１）では、第１光学面Ｓ１−１と第３光学面Ｓ２−１とが接合されており、第２の実施の形態（図２）では、第２光学面Ｓ１−２と第３光学面Ｓ２−１とが接合されている。第１光学面Ｓ１−１及び第２光学面Ｓ１−２に対して垂直な平面（つまり、第１光学面Ｓ１−１の法線と第２光学面Ｓ１−２の法線とを含む平面であり、紙面に平行な平面に相当する。）が第１走査方向Ｖに対して平行になっており、第１プリズムＰ１は、第１光学面Ｓ１−１及び第２光学面Ｓ１−２に対して垂直な平面に対して垂直な光学平面を、第０光学面Ｓ１−０として更に有している。

第１光学面Ｓ１−１と第２光学面Ｓ１−２とで形成される頂角Ｋ１は、第３光学面Ｓ２−１と第４光学面Ｓ２−２とで形成される頂角Ｋ２よりも大きくなっている。また、第１光学面Ｓ１−１と第２光学面Ｓ１−２とで形成される頂角Ｋ１と、第３光学面Ｓ２−１と第４光学面Ｓ２−２とで形成される頂角Ｋ２と、の差は、第１光学面Ｓ１−１，第２光学面Ｓ１−２，第３光学面Ｓ２−１及び第４光学面Ｓ２−２のうち接合に用いられていない一対の光学面で形成される頂角と等しくなっている。つまり、第１の実施の形態（図１）では、第２光学面Ｓ１−２と第４光学面Ｓ２−２とで形成される頂角Ｋ３がＫ１−Ｋ２と等しくなっており、第２の実施の形態（図２）では、第１光学面Ｓ１−１と第４光学面Ｓ２−２とで形成される頂角Ｋ３がＫ１−Ｋ２と等しくなっている（頂角Ｋ１は頂角Ｋ２，Ｋ３を内対角とする外角に相当する。）。これにより、アッベ数の異なる第１，第２プリズムＰ１，Ｐ２の頂角Ｋ１，Ｋ２の方向が互いに逆方向となって、色消し可能な構成になる。

第１の実施の形態（図１）では、レーザー光ＬＢが第０光学面Ｓ１−０から入射し、第１光学面Ｓ１−１で全反射され、第２光学面Ｓ１−２を透過し、ＭＥＭＳミラーＭＲで反射され、第２光学面Ｓ１−２，第１光学面Ｓ１−１，第３光学面Ｓ２−１及び第４光学面Ｓ２−２を順に透過する。第２の実施の形態（図２）では、レーザー光ＬＢが第０光学面Ｓ１−０から入射し、第１光学面Ｓ１−１で全反射され、第２光学面Ｓ１−２，第３光学面Ｓ２−１及び第４光学面Ｓ２−２を順に透過し、ＭＥＭＳミラーＭＲで反射され、第４光学面Ｓ２−２，第３光学面Ｓ２−１，第２光学面Ｓ１−２及び第１光学面Ｓ１−１を順に透過する。

ＭＥＭＳミラーＭＲのような２次元走査ミラーに光を入射させると、反射光の光束は糸巻き状の歪みを有する画像を構成することが知られている。また、光束を斜め入射させると台形歪みも生じる。図３，図４に、走査角度と入射角度を変化させたときの投影画像の歪み状態を示す。図３では走査角度：横±８度，縦±６度であり、図３（Ａ）では入射角度：０度、図３（Ｂ）では入射角度：３０度である。図４では走査角度：横±１５度，縦±１２度であり、図４（Ａ）では入射角度：０度、図４（Ｂ）では入射角度：３０度、スクリーン角度：２０度である。

図３，図４から分かるように走査角度が大きいほど歪みは大きくなり、さらに入射角度を大きくすると歪みの向きは画面の上下で同じになることが分かる。その際の歪みは画面の上側で大きく、画面の下側では小さい。上下の幅の違い（台形）はスクリーン角度を調整することで最小化することは可能である。しかしながら、図４（Ｂ）に示すような線の歪みは補正不可能である。一方、くさびプリズムに光束を斜めに入射させると、屈折する方向に対して垂直方向の光はより多く屈折するという現象がある。画面の上側の歪みは画面の下側の歪みよりも大きいので、走査角度，入射角度及びプリズム屈折角を適切に選ぶことにより、良好な歪み補正を行うことが可能である。図５，図６に、プリズム頂角と画像に生じる歪みとの関係を示す。

また、２次元走査ミラーにレーザー光を入射させるには、何らかのミラーでレーザー光を反射させる方法、２次元走査ミラーとの距離を取って入射させる方法等が考えられる。しかし、レーザー光を反射させるにはミラー素子が必要であり、２次元走査ミラーまでの距離を大きく確保しようとすると、その方向に光学装置が大きくなってしまう。例えば特許文献２に記載されているように、歪みを補正するプリズムの横からレーザー光を入射させようとすると、レーザー光を分離させるためにプリズムを２次元走査ミラーから離して配置する必要が生じ、その結果、非常に大きな空間が必要となる。

そこで本発明に係る歪み補正プリズムでは、第１，第２プリズムＰ１，Ｐ２から成る特徴的な接合プリズムを用いることによって、製造及び設置が容易でコンパクトな１つの光学素子でありながら、２次元走査ミラーにレーザー光を入射させ、かつ、歪み補正を良好に行うことを可能としている。その構成とは、第１，第２の実施の形態（図１，図２）のように、第１プリズムが有する一対の光学平面を第１，第２光学面とし、第２プリズムが有する一対の光学平面を第３，第４光学面とすると、第１，第２光学面のうちの一方と第３，第４光学面のうちの一方とが接合されており、第１光学面及び第２光学面に対して垂直な平面が第１走査方向に対して平行であり、第１光学面及び第２光学面に対して垂直な平面に対して垂直な光学平面を、第０光学面として第１プリズムが更に有し、第１光学面と第２光学面とで形成される頂角が、第３光学面と第４光学面とで形成される頂角よりも大きく、第１光学面と第２光学面とで形成される頂角と、第３光学面と第４光学面とで形成される頂角と、の差が、第１〜第４光学面のうち接合に用いられていない一対の光学面で形成される頂角と等しく、第１プリズムの分散が第２プリズムの分散よりも小さいことを特徴とするものである。

２次元走査ミラーに起因する台形状・糸巻き状の歪みを補正するには、くさびプリズムの効果を用いることが好ましい。しかも、広い波長域で補正するには色消しプリズムであることが好ましい。頂角が大きいということは屈折角が大きいということなので、頂角とアッベ数との組み合わせにより色消しが可能となる。したがって、頂角の異なる２つのプリズムを接合して、頂角の大きい方のプリズムの分散を他方よりも小さくすることにより、全体としては歪み補正を行い、しかも広い波長で使うことができる。例えば、頂角Ｋ１＝２０°の第１プリズムと頂角Ｋ２＝１０°の第２プリズムとで色収差を補正し、全体としては頂角Ｋ３＝１０°の接合プリズムで歪み補正を行うことができる。しかも、２次元走査ミラーへのレーザー光の入射にプリズム接合面を利用することが可能である。

さらに、歪み補正プリズムが接合プリズムから成っているので、相対的な位置調整等が不要であり、１つの部材として扱うことができる。また、接合面の反射率が小さいので、それによって２面分の表面反射を抑えることができる。表面反射を抑えることは、スループット向上（光利用効率向上）とゴースト低減の両方で意味がある。さらに、第０光学面を有することは、そこから入射（又は射出）するということであり、それによって２次元走査ミラーの側方からレーザー光を入射させることが可能になる。このため、この歪み補正プリズムを用いる装置・機器の薄型化が可能となる。

第１プリズムは頂角（屈折角）が大きいので、第１プリズムに第０光学面を有するということは、第１プリズムが第２プリズムよりも大きな体積を有しているということである。したがって、第０光学面を第１プリズムに有することは、入射光線の配置を容易にする上で好ましい。逆に、第２プリズムに第０光学面を有する場合、第２プリズム自体の頂角が第１プリズムの頂角よりも小さいため、そもそも体積も小さく、その小さいところに一定の光束を入射させようとすることは、第２プリズムの大型化を必要とするので好ましくない。

本発明に係る歪み補正プリズムでは、前記第１の実施の形態（図１）のように、レーザー光が第０光学面から入射し、第１光学面で全反射され、第２光学面を透過し、２次元走査ミラーで反射され、第２光学面，第１光学面，第３光学面及び第４光学面を順に透過することが好ましい。第０光学面から入射させる光線を第１光学面で全反射させることにより、構成としては全体の更なる薄型化を行うことができる。その理由は、全反射面を設けることにより、入射光線がミラー面よりも平行かそれよりミラー面側から入射することになるからである。また、全反射を用いることでエネルギーロスが無くなり、入射ミラー等の光学部品が不要になるという効果も得られる。

また、全反射による入射を行って、更にその同じ面を透過面に用いることにより、１つの光学面で機能を複数有することが可能になるため好ましい。それに加えて、入射と透過を臨界角度で分けるということは、いわゆる角度分離による２次元走査ミラーへの入射と反射の分離方法である。それは偏光分離と異なり、偏光分離に必要な位相板やＰＢＳ(polarizing beam splitter)といった複雑で高価な光学素子が不要になる、という効果もある。さらに、角度分離を行うことにより、２次元走査ミラーに対して角度をつけた入射及び反射を行うことになる（０度ではない）。それは、上述したように、２次元走査ミラーの走査歪みが０度入射の場合は上下対称な糸巻き状の歪みとなる。その場合、くさびプリズムの効果で上下共に補正することが困難になる。したがって、良好な歪み補正を得るためにも必要な構成である。

本発明に係る歪み補正プリズムでは、前記第２の実施の形態（図２）のように、レーザー光が第０光学面から入射し、第１光学面で全反射され、第２光学面，第３光学面及び第４光学面を順に透過し、２次元走査ミラーで反射され、第４光学面，第３光学面，第２光学面及び第１光学面を順に透過することが好ましい。前記第１の実施の形態（図１）のように接合面で光を全反射させる場合、全反射する部分の接合が無いような構成にする必要がある。このため、接着剤の管理やプリズム先端の位置決め等に若干の精度が必要になり、構成の複雑さが増すおそれがある。それに対して上記構成には、プリズムを単純に貼り合わせるだけで済むという利点がある。また、より２次元走査ミラー側からの入射が必要になるため、ミラー面の裏側に色々な部品を配置することができる。したがって、ミラー面の前側のスペースの薄型化を容易に行うことが可能になる。

さらに、レーザー光が第１プリズムでの全反射後に第２プリズムを透過する構成になっているため、全体としては歪み補正の効果を有する接合プリズムの頂角に設定した上で、さらに全反射面が２次元走査ミラーの法線に対して最も角度のついた面になる。このため、レーザー光を２次元走査ミラー側からではなく、２次元走査ミラーに対して平行に近い方向から入射させることができるため、全体の配置が容易になるという効果がある。

本発明に係る光学装置では、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
１＜Ｔ×ｔａｎ２（Φ−θ）／Ｄ＜５０ …（１）
ただし、
±θ：２次元走査ミラーの走査角度、
Φ：２次元走査ミラー面へのレーザー光の入射角度、
Ｄ：２次元走査ミラーの入射平面方向の有効径、
Ｔ：主光線（２次元走査ミラーの走査角度の中心で走査停止状態におけるレーザー光の光束中心を通る光線）のミラー法線方向における、２次元走査ミラー面からプリズム射出面までの距離、
である。

上記条件式（１）は、薄型の配置と良好な歪み補正を共に達成する上で好ましい条件範囲を規定している。条件式（１）の下限は、有効範囲Ｄの光束を折り曲げるのに必要な全体の厚みと接合プリズムでの全反射とを共に実現するのに必要な条件を示している。条件式（１）の下限を下回ると、全反射での良好な光路分離ができなくなるおそれがある。その不具合としては、大きなミラー径が取れない、大きな走査角度が取れない、厚みが厚くなる等が挙げられる。条件式（１）の上限を上回ると、プリズムの大型化を招くことになり、光学装置の大型化や重量増等が問題になるおそれがある。さらに、光路のシフト量が大きくなるため、入射角度の大きな光束の位置ズレによる歪みの発生等、別の現象も発生するおそれがある。したがって、条件式（１）を満たすことにより、光学装置の薄型化と高性能化とをバランス良く達成することができる。

以下の条件式（１ａ）を満足することが更に望ましい。
１＜Ｔ×ｔａｎ２（Φ−θ）／Ｄ＜１０ …（１ａ）
この条件式（１ａ）は、前記条件式（１）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（１ａ）を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。

本発明に係る光学装置では、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
１＜Φ／θ＜８ …（２）
ただし、
±θ：２次元走査ミラーの走査角度、
Φ：２次元走査ミラー面へのレーザー光の入射角度、
である。

上記条件式（２）は、歪み補正をより一層良好に補正する上で好ましい条件範囲を規定している。条件式（２）の下限は、２次元走査ミラーからの反射光がフルシフトの状態（片側より上に光線が進む状態）を規定している。少なくともフルシフトでないと、歪み補正を良好に行うことは困難である。したがって、条件式（２）の下限を下回ってフルシフトの状態でなくなると、歪みの方向が画面の上と下で異なってしまう。その結果、歪み補正プリズムは上下で同じ方向しか補正できなくなるため、両方とも良好に補正することが困難になる。

条件式（２）の上限は、補正可能な範囲での入射であることを規定している。条件式（２）の上限を上回って入射角度Φが走査角度θに対して極端に大きくなると、２次元走査ミラーで発生する歪みが非常に大きくなり、歪み補正プリズムで最適に補正することが困難になる。また、入射角度Φが大きくなると、歪み補正プリズムへの入射角度が大きくなる。具体的には、２次元走査ミラーからの射出角度が最大でΦ＋２θになる。大きくなりすぎることによる弊害としては、歪み補正プリズムへの入射面でのフレネル反射である。プリズムの屈折率によるが、その反射率は角度が大きくなると急激に増加する。したがって、画面の上下で反射率に大きな差が生じる。これにより画面上下の明るさに違いが生じたり、ゴーストが発生したりするおそれがある。したがって、条件式（２）を満たすことにより、より一層高い光学性能を得ることが可能になる。

以下の条件式（２ａ）を満足することが更に望ましい。
１＜Φ／θ＜４ …（２ａ）
この条件式（２ａ）は、前記条件式（２）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（２ａ）を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。

本発明に係る光学装置では、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
−２＜α／θ＜０ …（３）
ただし、
α：２次元走査ミラー停止時のミラー面の法線と、ミラー面に最も近いプリズム面（ミラー面での反射光が最初に入射するプリズム面）の法線と、が成す角度、
である。

上記条件式（３）は、歪み補正と色補正を共に良好に補正する上で好ましい条件範囲を規定している。条件式（３）の上限を上回って角度αが正になると、プリズム面からミラー面に向かう光の射出角度が大きくなり、プリズム面での屈折による分散の影響が大きくなる。条件式（３）の下限は、反射光線に対する光線角度を規定している。反射光線はミラー走査により角度分布を持つが、それにより角度αが大きくなって条件式（３）の下限を下回ると、画面上部に相当する部分の入射面への角度が非常に大きくなり、前述のフレネル反射が大きくなる。このため、均一な明るさを得ることができなくなったりゴーストが発生したりするおそれがある。したがって、条件式（３）を満たすことにより、歪み補正と色補正を共に良好に補正することが可能になる。

以下の条件式（３ａ）を満足することが更に望ましい。
−１．２＜α／θ＜０ …（３ａ）
この条件式（３ａ）は、前記条件式（３）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（３ａ）を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。

本発明に係る光学装置では、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
０＜β／θ＜５ …（４）
ただし、
β：２次元走査ミラー停止時のミラー面の法線と、ミラー面に最も遠いプリズム面（ミラー面での反射光が最後に射出するプリズム面）の法線と、が成す角度、
である。

上記条件式（４）の下限は、透過光線に対する光線角度を規定している。反射光線はミラー走査により角度分布を持つが、それにより角度βが大きくなって条件式（４）の下限を下回ると、画面上部に相当する部分の入射面への角度が非常に大きくなり、前述のフレネル反射が大きくなる。このため、均一な明るさを得ることができなくなったりゴーストが発生したりするおそれがある。さらに、第２の実施の形態（図２）の構成を有する場合には、全反射面の角度がミラー面に対して平行に近くなってしまうため、側方からの入射が困難になる。逆に、条件式（４）の上限を上回ると、角度が付きすぎてしまうため、画面下部の光線が全反射してしまう。つまり、大きな走査角度を取ることが困難になる。したがって、条件式（４）を満たすことにより、歪み補正と色補正を共に良好に補正することが可能になる。

以下の条件式（４ａ）を満足することが更に望ましい。
０＜β／θ＜２ …（４ａ）
この条件式（４ａ）は、前記条件式（４）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（４ａ）を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。

本発明に係る光学装置では、以下の条件式（５）〜（７）を満足することが好ましい。
０．３＜（β−α）／Φ＜０．９ …（５）
１．５＜ｎ１＜１．９ …（６）
１．５＜ｎ２＜１．９ …（７）
ただし、
ｎ１：第１プリズムの屈折率、
ｎ２：第２プリズムの屈折率、
である。

上記条件式（５）〜（７）は、全反射条件を満足し、広い走査角度を有しながらも歪みを真に良好補正する上で好ましい条件範囲を規定している。上記条件式（５）を満足することで、入射角度に対応した最適な歪み補正プリズムの効果を得ることができる。条件式（５）の上限と下限は、入射角度によって決まる頂角の最適な値を示している。若干屈折率等の変動で幅があるが、基本的にこの条件範囲とこの入射角でないと良好な補正は難しい。具体的には図６に示すように、頂角（β−α）は入射角度Φとある条件にあるときにちょうど歪みをキャンセルすることができる。この範囲を越えると、上限では歪み補正が大きすぎるため補正過剰になり、下限では入射角度が大きすぎるか又は補正量が小さいために歪みが残ったままの補正不足になる。したがって、条件式（５）を満足することにより、良好な歪み補正が可能になる。

以下の条件式（５ａ）を満足することが更に望ましい。
０．５＜（β−α）／Φ＜０．８ …（５ａ）
この条件式（５ａ）は、前記条件式（５）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（５ａ）を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。

屈折率の条件式（６），（７）は、全反射での分離角度をある程度大きくするために、第１，第２プリズムの屈折率ｎ１，ｎ２の下限値を決めて、さらに全反射せずに抜けるためにある程度低くないと光が抜けないという条件を満足するための上限を決めている。

図２１（Ａ）のブロック図に、レーザー走査方式の画像投影装置ＰＪの概略構成例を示す。この画像投影装置ＰＪは、図１及び図２に示す各構成要素（レーザー光源１，コリメータレンズ２，歪み補正プリズムＰＲ，ＭＥＭＳミラーＭＲ）の他に、画像情報を入力する画像入力手段３と、画像入力手段３で入力した画像情報を処理する画像処理手段４と、レーザー光源１を駆動するレーザー駆動手段５と、２次元走査ミラー（ＭＥＭＳミラー）ＭＲを駆動するミラー駆動手段６と、を有している。そして、画像処理手段４で処理された画像情報を用いてレーザー光源１及び２次元走査ミラーＭＲを駆動することにより、２次元的に偏向走査されたレーザー光ＬＢでスクリーン面ＳＣへの２次元画像の投影が行われる。したがって、高品質の画像が得られる画像投影装置ＰＪをコンパクトに達成することができる。

図２１（Ｂ）のブロック図に、走査型の画像取得装置ＣＵの概略構成例を示す。この画像取得装置ＣＵは、歪み補正プリズムＰＲと、２方向の回動によりレーザー光を第１，第２走査方向に偏向させる２次元走査ミラー（ＭＥＭＳミラー）ＭＲと、光検出器（ＰＤ）から成る受光素子９と、その受光素子９からの信号を検出する信号検出手段７と、２次元走査ミラーＭＲを駆動するミラー駆動手段６と、２次元走査ミラーＭＲの位置を検出するミラー検出手段８と、信号検出手段７及びミラー検出手段８からの情報を処理する画像処理手段４と、その画像情報を出力する画像出力手段１３と、を有している。そして、２次元走査ミラーＭＲを駆動させてミラー位置を検出することにより、ミラー検出位置での信号から被写体ＯＢの２次元画像情報を得る。なお、前記画像投影装置ＰＪでは複数の色光のレーザー光を使用するために複数のレーザー光源１が搭載されるが、画像取得装置ＣＵでも同様の光路が構成され、被写体ＯＢからの光を色分解系で複数の色光に分けて各色ごとに受光素子９が配置される。

この画像取得装置ＣＵは、第１，第２の実施の形態（図１，図２）の画像投影装置ＰＪとは逆の経路で、全反射した光を受光素子９で受光することを特徴としている。画像投影装置ＰＪはレーザー走査を行う光学装置であるが、光線の向きはそれに限るものではない。本発明に係る光学装置は歪み補正プリズムＰＲと２次元走査ミラーＭＲとの組み合わせを特徴としており、光の進む向きは本質ではない。つまり、光には可逆性があることから、画像投影装置ＰＪにおけるレーザー光源１の代わりに、受光素子９を用いて画像取得装置ＣＵを構成しても構わない。その場合、光の向きは逆であり、歪み補正プリズムＰＲ，２次元走査ミラーＭＲ，歪み補正プリズムＰＲの順に通り、第０光学面Ｓ１−０から射出された光を集光レンズ（コリメータレンズ２に相当する。）で集光し、ピンホール等の光束規制手段を透過した後に受光素子９で受光される構成にするのが好ましい。

以下、本発明を実施した歪み補正プリズム及び画像投影装置の光学構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜４（ＥＸ１〜４）は、前述した第１，第２の実施の形態（図１，図２）に対応する数値実施例であり、実施例１，３，４は第１の実施の形態に対応しており、実施例２は第２の実施の形態に対応している。図９，図１２，図１５，図１８に実施例１〜４の光路図を示し、図１０，図１３，図１６，図１９に実施例１〜４の光学断面構成を拡大して示す。なお、図１０，図１３，図１６，図１９では、１色のレーザー光の光路のみを記載している。

表１〜表４に、実施例１〜４のコンストラクションデータをそれぞれ示す。また、表５に各条件式の対応データ及び関連データを各実施例について示す。表１〜表４中、各光学面の配置は、面頂点座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とＸ軸回転角度の各面データでそれぞれ特定される。光学面の面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表されており（単位：ｍｍ）、その面頂点を中心とするｘ軸回りの回転角度で光学面の傾きが表されている（単位：°）。ただし、グローバルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）はＭＥＭＳミラーＭＲのローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）と一致した絶対座標系になっている。

また表１〜表４では、第１，第２プリズムＰ１，Ｐ２を構成する光学材料のｄ線に関する屈折率ｎｄ及びｄ線に関するアッベ数νｄと、ＭＥＭＳミラーＭＲのミラー面の直径Ｄと、垂直走査方向（Ｖ方向）のミラー回転角度（ｘ軸回り）と、水平走査方向（Ｈ方向）のミラー回転角度（ｚ軸回り）を示している。各実施例では、２次元走査ミラーとしてＭＥＭＳミラーを想定している。ＭＥＭＳミラーＭＲは、そのＸ方向とＺ方向とにレーザー光ＬＢを偏向させることにより、スクリーン面ＳＣに対して２次元走査を行う構成になっており、レーザー光を偏向させる際のＸ方向が水平走査方向（Ｈ方向）に相当し、レーザー光を偏向させる際のＺ方向が垂直走査方向（Ｖ方向）に相当する。

表５中、歪み量Ｄｔ，ＤＨ，ＤＶは以下の式（Ｄ１）〜（Ｄ３）で定義される。つまり、台形歪みＤｔは以下の式（Ｄ１）で定義され、Ｈ方向走査歪みＤＨは以下の式（Ｄ２）で定義され（上部，真ん中，下部のうち最も大きい値を評価値とする。）、Ｖ方向走査歪みＤＶは以下の式（Ｄ３）で定義される。図７に示すように、式（Ｄ１）〜（Ｄ３）中、Ｘｕｐ：スクリーン上部のＨ方向の距離、Ｘｌｏｗ：スクリーン下部のＨ方向の距離、Ｘｍｉｎ：Ｈ方向で最も小さい距離、Ｙｍｉｎ：Ｖ方向で最も小さい距離、ΔＸ：Ｈ方向歪み、ΔＹｕｐ，ΔＹｃｅｎｔｅｒ，ΔＹｌｏｗ：上部，真ん中，下部のＶ方向歪みである。

また、表５中の色ズレ量ΔＣｒＨ，ΔＣｒＶ，ΔＣｂＨ，ΔＣｂＶは、図８に示すように定義される。中央の緑色レーザースポットＬｇを基準にして、赤色レーザースポットＬｒと、青色レーザースポットＬｂの各ズレ量をＨ方向とＶ方向について求める。表５中のデータは、上下左右の２５点での計算値のうち、最大値の絶対量である。

図１１，図１４，図１７，図２０に実施例１〜４での２次元画像の歪みを歪曲図でそれぞれ示す（縦軸：Ｙ方向（垂直走査方向），横軸：Ｘ方向（水平走査方向）；単位：ｍｍ）。各歪曲図は、ＭＥＭＳミラーＭＲでの偏向走査によるスクリーン面ＳＣ上での光線位置を等時間間隔でプロットしたものである。

ＰＪ 画像投影装置（光学装置）
ＣＵ 画像取得装置（光学装置）
ＰＲ 歪み補正プリズム
Ｐ１ 第１プリズム
Ｐ２ 第２プリズム
Ｓ１−０ 第０光学面
Ｓ１−１ 第１光学面
Ｓ１−２ 第２光学面
Ｓ２−１ 第３光学面
Ｓ２−２ 第４光学面
１ レーザー光源
２ コリメータレンズ
ＬＢ レーザー光
ＭＲ ＭＥＭＳミラー（２次元走査ミラー）
ＳＣ スクリーン面

Claims (8)

1. 互いに直交する第１，第２走査方向に偏向した光から成る画像に歪みが生じないように補正するための歪み補正プリズムであって、
   第１プリズムと第２プリズムとを接合して成る接合プリズムであり、
   前記第１プリズムが有する一対の光学平面を第１，第２光学面とし、前記第２プリズムが有する一対の光学平面を第３，第４光学面とすると、
   第１，第２光学面のうちの一方と第３，第４光学面のうちの一方とが接合されており、
   第１光学面及び第２光学面に対して垂直な平面が第１走査方向に対して平行であり、
   第１光学面及び第２光学面に対して垂直な平面に対して垂直な光学平面を、第０光学面として第１プリズムが更に有し、
   第１光学面と第２光学面とで形成される頂角が、第３光学面と第４光学面とで形成される頂角よりも大きく、
   第１光学面と第２光学面とで形成される頂角と、第３光学面と第４光学面とで形成される頂角と、の差が、第１〜第４光学面のうち接合に用いられていない一対の光学面で形成される頂角と等しく、
   第１プリズムの分散が第２プリズムの分散よりも小さいことを特徴とする歪み補正プリズム。
2. 請求項１記載の歪み補正プリズムと、レーザー光源と、２方向の回動によりレーザー光を前記第１，第２走査方向に偏向反射させる２次元走査ミラーと、を有することを特徴とする光学装置。
3. レーザー光が前記第０光学面から入射し、前記第１光学面で全反射され、前記第２光学面を透過し、前記２次元走査ミラーで反射され、前記第２光学面，前記第１光学面，前記第３光学面及び前記第４光学面を順に透過することを特徴とする請求項２記載の光学装置。
4. レーザー光が前記第０光学面から入射し、前記第１光学面で全反射され、前記第２光学面，前記第３光学面及び前記第４光学面を順に透過し、前記２次元走査ミラーで反射され、前記第４光学面，前記第３光学面，前記第２光学面及び前記第１光学面を順に透過することを特徴とする請求項２記載の光学装置。
5. 以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の光学装置；
   １＜Ｔ×ｔａｎ２（Φ−θ）／Ｄ＜５０ …（１）
   ただし、
   ±θ：２次元走査ミラーの走査角度、
   Φ：２次元走査ミラー面へのレーザー光の入射角度、
   Ｄ：２次元走査ミラーの入射平面方向の有効径、
   Ｔ：主光線（２次元走査ミラーの走査角度の中心で走査停止状態におけるレーザー光の光束中心を通る光線）のミラー法線方向における、２次元走査ミラー面からプリズム射出面までの距離、
   である。
6. 以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の光学装置；
   １＜Φ／θ＜８ …（２）
   ただし、
   ±θ：２次元走査ミラーの走査角度、
   Φ：２次元走査ミラー面へのレーザー光の入射角度、
   である。
7. さらに、画像情報を入力する画像入力手段と、前記画像入力手段で入力した画像情報を処理する画像処理手段と、前記レーザー光源を駆動するレーザー駆動手段と、前記２次元走査ミラーを駆動するミラー駆動手段と、を有するレーザー走査方式の画像投影装置であって、前記画像処理手段で処理された画像情報を用いて前記レーザー光源及び２次元走査ミラーを駆動することにより、２次元的に偏向走査されたレーザー光でスクリーン面への２次元画像の投影を行うことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 請求項１記載の歪み補正プリズムと、２方向の回動によりレーザー光を前記第１，第２走査方向に偏向させる２次元走査ミラーと、受光素子と、その受光素子からの信号を検出する信号検出手段と、前記２次元走査ミラーを駆動するミラー駆動手段と、前記２次元走査ミラーの位置を検出するミラー検出手段と、を有する走査型の画像取得装置であって、前記２次元走査ミラーを駆動させてミラー位置を検出することにより、ミラー検出位置での前記信号から２次元画像情報を得ることを特徴とする光学装置。

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