JP4006313B2 - 走査型表示光学系及び走査型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元方向に光束を偏向走査することにより２次元画像を形成する２次元走査装置を用い、特に観察者の網膜上に画像を走査形成する電子ファインダ等に好適な走査型表示光学系及び走査型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光源から出射した光束を光偏向部材によって２次元方向に偏向走査して観察者の網膜上に残像効果を利用して直接画像を形成する網膜直接描画型の表示装置は従来いくつか提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１〜３には、網膜走査型ディスプレイの概要が開示されている。このディスプレイは、２次元方向に偏向された光束を１次結像面に結像させ、接眼光学系を通して観察者の網膜上に２次元画像を形成するものである。
【０００４】
また、特許文献４には、プリズムを少なくとも１つ有する網膜直接描画型の表示装置が提案されている。プリズムは、入射面と内部反射面と出射面の少なくとも３面を有し、偏向された光束がプリズム内で３回以上反射するとともに、反射面のうち少なくとも１面は光学パワーを持つものである。
【０００５】
また、像面上をスポットで２次元的に走査して２次元画像を形成する２次元走査型の表示光学系も従来提案されている。ここで、網膜直接描画型の表示装置では、光束を偏向した際に生じる走査スポットの像面上におけるデフォーカスにより、像面上での走査スポットの移動特性や像面サイズに変化が生じる。そして、これにより画角の変化や像の歪みが生じてしまう。
【０００６】
このため、特許文献５には、光束を偏向した際のデフォーカスにより、走査スポットの像面上における移動特性がｆθ特性から外れないようにテレセントリック性を持たせた光学系が提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献６には、光源から出射した光束を２次元的に偏向し、歪曲特性としてｆ・ｓｉｎθ特性を有した走査レンズにより被走査面上を２次元的に走査する２次元走査装置が提案されている。これは、走査レンズのｆ・ｓｉｎθ特性と電気的な補正とにより表示画像の歪みを補正するものである。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許５５５７４４４号
【特許文献２】
米国特許５４６７１０４号
【特許文献３】
米国特許５９０３３９７号
【特許文献４】
特開２００１−４９５５号公報
【特許文献５】
特開平１０−６８８７６号公報
【特許文献６】
特開平０８−１４６３２０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１〜３には、網膜走査型ディスプレイの具体的な光学構成については記載されていない。
【００１０】
また、特許文献４にて提案されているように、プリズム内の反射面を用いた構成では、一般に光学部材の反射率は透過率に比べ低いため、光量損失が問題となる。特に、特許文献４にて提案されているもののように３面以上の反射面を用いた場合、光量損失が大きくなる。
【００１１】
また、特許文献５にて提案の２次元走査装置は、テレセントリック性を有し、デフォーカスによる像面上での走査スポットの移動特性変化は小さいものの、光源の波長が１０μｍ以上の赤外波長に対する用途のものであり、可視光領域での使用目的には適さない。また、異なる波長を持つ複数の光源を用いた場合については特許文献５には記載されていない。
【００１２】
また、特許文献６にて提案の２次元走査装置は、像面がデフォーカスした際に像面の大きさが変化したり、像面上での特性が変化したりするために、一定の歪曲特性を求める用途には使用が困難である。
【００１３】
さらに、光束を２次元方向に偏向走査して２次元画像を形成する場合、像面上における画像の歪み、所謂ディストーションが発生することが知られている。このディストーションには、台形歪み、等速走査性のディストーションと直進走査性のディストーション、さらに像面上に形成された画像の枠が歪むことを称したＴＶディストーションがある。特に、光偏向部材への光源からの光束の入射方向が、光偏向部材における偏向軸に対して斜め方向なっている（斜め入射する）場合には、ＴＶディストーションや台形歪みが大きくなる。
【００１４】
しかし、特許文献６にて提案の２次元走査装置が採用する電気的補正では、ＴＶディストーションの効果的な補正が困難である。また、特許文献５には、ＴＶディストーションの補正に関して記載がない。
【００１５】
本発明は、光束の２次元走査によって形成される画像のディストーションを光学的に補正し、高品位な画像を観察させることが可能な、特に網膜直接描画に好適な網膜走査型表示装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の走査型表示光学系は、光源からの光束を２次元方向に偏向する偏向手段と、偏向手段により偏向された光束を結像させる走査光学系とを有する。ここで、偏向手段への光源からの光束の入射方向が、偏向手段における２方向の偏向軸（例えば、偏向手段が揺動可能な反射面を有する場合のその揺動軸）のうち少なくとも一方に対して斜め方向である。そして、走査光学系は、最も偏向手段側に配置された負の光学パワーを有する第１の光学素子と、像面側に配置された正の光学パワーを有する第２の光学素子と、第１及び第２の光学素子の間に配置された正の光学パワーを有する第３の光学素子とを含み、第３の光学素子は、偏向手段による光束の２次元偏向範囲の中心軸に対して、光源からの光束が偏向手段に入射する側にチルトおよびシフトし、第２の光学素子は、上記中心軸に対して、光源からの光束が偏向手段に入射する側とは反対側にシフトしている。
【００１７】
このように、光源からの光束が偏向手段に対していわゆる斜め入射する場合に、走査光学系を構成する第３の光学素子を、上記中心軸に対して光源からの光束が偏向手段に入射する側にチルト及びシフトさせ、第２の光学素子を上記中心軸に対して光源からの光束が偏向手段に入射する側とは反対側にシフトさせることにより、光束の２次元走査によって形成される画像に発生するＴＶディストーションおよび台形歪み含むディストーションを光学的に良好に補正することが可能となる。
【００１８】
なお、ここにいう光学パワーとは、焦点距離の逆数である。
【００１９】
また、第２の光学素子を偏向手段側に凸面を向けたメニスカスレンズとし、第３の光学素子を像面側に凸面を向けたレンズとしてもよい。第３の光学素子の出射面側を凸面とすることで、第３の光学素子をチルトさせたときの収差への影響を小さくすることが可能である。
【００２０】
また、走査光学系の像面への光束の入射角度を５度以内としてもよい。これにより、走査光学系を略テレセントリックな光学系とし、像面がデフォーカスしても、像面上での走査スポットの移動特性の変化や像面サイズの変化を小さくすることが可能である。
【００２１】
また、光源と走査光学系との間に、光源からの光束を収束光束に変換する集束光学素子を設けてもよい。これにより、集束光学素子と走査光学系とでパワーを分担し、走査光学系をディストーションと非点隔差の補正に適した構成とすることが可能となる。
【００２２】
また、光源と偏向手段との間又は集束光学素子と偏向手段の間に、光源からの光束を偏向手段に、偏向軸に対して斜め方向から入射させるよう導く反射面を設けてもよい。これにより、光源から偏向手段への光束の入射系をコンパクトにでき、また光源の配置に自由度を増すことが可能である。
【００２３】
また、以下の条件を満足するようにしてもよい。
【００２４】
ν１＜ν２
但し、ν１は第１の光学素子のアッベ数、ν２は第２の光学素子のアッベ数である。
【００２５】
これにより、特に光源が、互いに異なる波長を持つ複数の色光を発する場合に、色収差の補正効果を得ることが可能となる。
【００４９】
そして、以上の走査型表示光学系を用いて、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、各種観察機器等の光学機器に搭載される電子ファインダを構成することができる。
【００５０】
この場合、上記光源を複数の色光を発するものとすることにより、カラー画像の走査表示を行う電子ファインダとすることもできる。
【００５１】
さらに、上述した走査型表示光学系を用いて、プロジェクタや、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に設けられる電子ファインダといった走査型画像表示装置を構成することも可能である。
【００５２】
【発明の実施の形態】
（参考例１）
図１には、本発明に関する参考例１である２次元走査装置の垂直断面（ＸＺ断面、以下の参考例及び本発明の実施形態も同様）を示している。図１において、１１は光源であり、レーザダイオード、ＬＥＤ、ランプ等により構成されている。光源１１は、画像信号が入力された不図示の駆動回路により発光が制御される。
【００５３】
光源１１から発せられた光束（平行光束）１２は、２枚の集光レンズを貼り合わせて構成される集束レンズ１３により収束光束に変換され、ハーフミラー１４に入射する。ハーフミラー１４での反射により、光束１２は９０度折り曲げられ、保護ガラス１５を透過して偏向ユニット１６に入射する。保護ガラス１５は、偏向ユニット１６を外乱から保護するために設けられている。
【００５４】
偏向ユニット１６としては、例えば互いに直交する揺動軸（偏向軸）を中心に反射面を２次元的に揺動させ、この反射面に入射して反射した光束を２次元方向（Ｘ方向およびＹ方向）に偏向可能なＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）デバイスが用いられている。
【００５５】
光束１２は偏向ユニット１６によって２次元方向に偏向走査され、保護ガラス１５およびハーフミラー１４を透過して走査光学系１７に入射する。
【００５６】
走査光学系１７は最も偏向ユニット１６側に配置された第１のレンズ１７ａと、最も走査光学系１７の像面１８側に配置された第２のレンズ１７ｃと、これら第１および第２のレンズ１７ａ，１７ｃ間に配置された第３のレンズ１７ｂとから構成されており、偏向ユニット１６により偏向された光束１２を像面１８上に結像させる。
【００５７】
こうして偏向ユニット１６によって２次元方向に偏向走査される光束１２が走査光学系１７によって像面１８上に結像されることにより、像面１８上には光の残像効果により２次元画像が形成される。
【００５８】
ここで、偏向ユニット１６として用いられるＭＥＭＳデバイスの構成について、図２を用いて簡単に説明する。このＭＥＭＳデバイスは、微小な偏向ミラー２１を有し、この偏向ミラー２１はトーションバー（偏向軸）２２を介して揺動枠２３により支持されている。また、揺動枠２３は、トーションバー２２に対して直交するトーションバー（偏向軸）２４を介して筐体２５により支持されている。偏向ミラー２１は、その裏面に備えられた磁石が図示しないコイルから発生する磁力に反応して、トーションバー２２，２４を中心にして２次元方向に振動（揺動）する。この２次元方向の振動のうち一方又は双方は共振によるものである。そして、この揺動する偏向ミラー２１に入射し反射した光束は、偏向軸を中心（要）として２次元方向に偏向される。
【００５９】
本参考例の偏向ユニット１６では、偏向ミラー２１は、図１の紙面内方向（Ｘ方向）において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面に垂直な方向（Ｙ方向）において±４．１３ｄｅｇの振幅を持ち、それぞれ振幅全体の８割を光束偏向に用い、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定される。
【００６０】
本参考例に従う２次元走査装置の数値実施例として、各光学素子の曲率半径および面間隔を表１に示す。曲率半径および面間隔の単位はｍｍである。また、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示している。走査光学系１７の３枚のレンズ１７ａ，１７ｂ，１７ｃはそれぞれ負，正，正の光学パワー（焦点距離の逆数）を持つ。第２のレンズ１７ｃは正メニスカスレンズであり、その凸面は偏向ユニット側に向いている。
【００６１】
【表１】
【００６２】
本参考例では、走査光学系１７のうち、最も偏向ユニット１６側に負レンズである第１のレンズ１７ａを配置し、最も像面１８側に正メニスカスレンズである第２のレンズ１７ｃを配置することで、光学系の全長を短くしながら、走査光学系１７にテレセントリック性を持たせている。
【００６３】
また、負レンズ（１７ａ）と正メニスカスレンズ（１７ｃ）の組み合わせにより、走査光学系１７に像面１８上における像面湾曲を補正する効果を付与している。さらに、正メニスカスレンズ（１７ｃ）の凸面を偏向ユニット１６側に向けることで、走査光学系１７に、像面１８上におけるディストーションを補正する効果を付与している。
【００６４】
図３には、本参考例（数値実施例）の収差図を示す。図３（ａ）には主走査方向（図１の紙面内方向）と副走査方向（図１の紙面に垂直な方向）における非点隔差（単位ｍｍ）を、図３（ｂ）には主走査方向の偏向角によるディストーション量（単位％）の変化を表している。図３（ａ）において、実線は主走査方向、点線は副走査方向を表す。なお、以後、収差図と述べた場合、図３と同様に、非点隔差、ディストーションの各量を表す図のことを示すものとする。図３から、本参考例の走査光学系１７により非点隔差およびディストーションが良好に補正されることがわかる。
【００６５】
また、図４には、本参考例の走査光学系１７による像面１８への入射角と像面１８上に形成される画像上での相対位置との関係を示す。横軸は像高（％）、縦軸は像面への入射角（ｄｅｇ）を示す。
【００６６】
この図４から、本参考例の走査光学系１７は、像面１８への入射角が５ｄｅｇ以下の良好なテレセントリック性を有していることがわかる。テレセントリック性を有することで、像面１８がデフォーカスしても、像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化の小さい走査光学系となる。
【００６７】
また、負レンズ（１７ａ）の硝材のアッベ数ν１は３１．１、正メニスカスレンズ（１７ｃ）の硝材のアッベ数ν２は５５．４である。すなわち、
ν１＜ν２
を満たす。
【００６８】
このアッベ数の関係により、走査光学系１７は、光源１１から互いに異なる複数の波長の光が出射する場合に、色収差を補正する効果を持つことができる。
【００６９】
本参考例において、光源１１からの光としてＦ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の、横収差図を図５に示す。
【００７０】
図５において、（ａ）は像面１８上における画像中心、（ｂ）は像高５０％、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。また、図５において実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。図５より、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させた場合に、走査光学系１７は良好な色収差補正を行うことが分かる。また、光源１１からの光が単一の波長を有する場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系１７の性能変化がほとんど生じない効果を持つ。
【００７１】
また、本参考例は、走査光学系１７とは別に、偏向ユニット１６への入射系として集束レンズ１３を持つ。偏向ユニット１６に対して収束光束を入射させることで、集束レンズ１３と走査光学系１７とでパワーを分担できる。これにより、走査光学系１７はディストーションと非点隔差の補正に適した構成とすることができる。
【００７２】
また、本参考例は、集束レンズ１３と偏向ユニット１６との間の光路上に、ハーフミラー１４を持つ。ハーフミラー１４を挿入することで、光源１１からの光束１２を偏向ユニット１６に導く入射系をコンパクトにすることができる。さらに、偏向ユニット１６に対して光束１２を垂直（２方向の偏向軸に対して垂直）に入射させることができる。
【００７３】
また、本参考例において、図１に示すように、偏向ユニット１６から走査光学系１７の像面１８までの距離をＤ、偏向ユニット１６から第１のレンズ（負レンズ）１７ａの第１面（入射面）までの距離をＤ１としたとき、
Ｄ１／Ｄ＝０．６４５
である。
【００７４】
このＤ１／Ｄが０．４を下回ると、光源１１からの光束１２を導く入射系に自由度がなくなる。また、Ｄ１／Ｄが０．８を上回ると、走査光学系１７を含む２次元走査装置全体の大型化につながる。このため、
０．４≦Ｄ１／Ｄ≦０．８…（Ａ）
とするのが望ましい。
【００７５】
また、本参考例において、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１７ｃの第２面（出射面）から像面１８までの距離をＤ２としたとき、
Ｄ２／Ｄ＝０．１２３
となる。
【００７６】
このＤ２／Ｄが０．０５を下回ると、像面１８上に被走査物（例えば、スクリーン）を配置するのが困難になる。また、Ｄ２／Ｄが０．３を上回ると、走査光学系１７を含む２次元走査装置全体の大型化につながる。このため、
０．０５≦Ｄ２／Ｄ≦０．３ …（Ｂ）
とするのが望ましい。
【００７７】
（参考例２）
図６には、本発明に関する参考例２である２次元走査装置の垂直断面を示す。本参考例において、参考例１と共通する構成要素には参考例１と同符号を付して説明を省略する。なお、以下のすべての参考例及び本発明の実施形態においても、参考例１と共通する構成要素には参考例１と同符号を付して説明を省略する。
【００７８】
本参考例では、参考例１に対して、走査光学系６１を構成するレンズ枚数を、負レンズである第１のレンズ６１ａと正メニスカスレンズである第２のレンズ６１ｂの２枚に削減したものである。
【００７９】
このように走査光学系６１を２枚のレンズで構成することにより、走査光学系６１のコスト低減を図ることが可能になる。また、本参考例では、偏向ユニット１６の偏向ミラーは、図６の紙面内方向（Ｘ方向）において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面に垂直な方向（Ｙ方向）において±４．１３ｄｅｇの振幅を持ち、それぞれ振幅の８割を光束偏向に用い、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定されている。
【００８０】
本参考例に従う２次元走査装置の数値実施例として、各光学素子の曲率半径および面間隔を表２に示す。曲率半径および面間隔の単位はｍｍである。また、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示している。
【００８１】
【表２】
【００８２】
本参考例でも、参考例１と同様に、偏向ユニット１６側に負レンズ（６１ａ）が、像面１８側に正メニスカスレンズ（６１ｂ）が配置されている。この配置により、走査光学系６１にテレセントリック性を与え、像面湾曲を低減させることができる。さらに、正メニスカスレンズ（６１ｂ）の凸面を偏向ユニット１６側に向けることで、像面１８上におけるディストーションを補正することができる。
【００８３】
図７には、本参考例（数値実施例）の収差図を示す。図７から、本参考例においても、収差補正が良好に行われていることが分かる。
【００８４】
また、図８には、像高と像面１８への入射角との関係を示す。本参考例においても、走査光学系６１による像面１８への最大の入射角は５ｄｅｇ以下と小さく、走査光学系６１は良好なテレセントリック性を有していることが分かる。そして、走査光学系６１がテレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化を小さくすることができる。
【００８５】
また、負レンズ（６１ａ）の硝材のアッベ数ν１は３１．１、正メニスカスレンズ（６１ｂ）の硝材のアッベ数ν２は３７．２であり、
ν１＜ν２
を満たす。
【００８６】
このアッベ数の関係により、走査光学系６１は、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、色収差を補正する効果を持つことができる。
【００８７】
本参考例において、光源１１からの光として、Ｆ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の横収差図を図９に示す。図９において、（ａ）は像面１８上における画像中心、（ｂ）は像高５０％、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。また、図９において、実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。
【００８８】
この図９から、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、走査光学系６１は良好な色収差補正を行うことが分かる。なお、光源１１からの光が単一の波長を有する光である場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系６１の性能の変化がほとんど生じない効果を持つ。
【００８９】
なお、本参考例でも、
Ｄ１／Ｄ＝０．６０１
Ｄ２／Ｄ＝０．１２０
であり、上述した（Ａ），（Ｂ）の条件式を満足する。
【００９０】
（参考例３）
図１０には、本発明に関する参考例３である２次元走査装置の垂直断面を示している。本参考例では、参考例２と同様に、走査光学系１０１を、負レンズである第１のレンズ１０１ａと正メニスカスレンズである第２のレンズ１０１ｂの２枚で構成し、正メニスカスレンズ（１０１ｂ）の凸面形状の第１面（入射面：表３中の面番号１７の面）に回転対称非球面を導入することで、非点隔差の補正を行っている。回転対称非球面は、以下の式１で表される。
【００９１】
【式１】
【００９２】
また、本参考例では、偏向ユニット１６の偏向ミラーの振幅は、参考例２と同じく、図１０の紙面内方向（Ｘ方向）において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面に垂直な方向（Ｙ方向）において±４．１３ｄｅｇであり、それぞれ振幅の８割を光束偏向に用い、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定されている。
【００９３】
本参考例に従う２次元走査装置の数値実施例として、各光学素子の曲率半径および面間隔等を表３に示す。表３中、面番号１７の部分には、非球面係数も記入している。
【００９４】
【表３】
【００９５】
また、本参考例（数値実施例）の収差図を図１１に示す。走査光学系１０１に回転対称非球面を導入したことで、走査光学系１０１は、全体としてテレセントリック性を有したまま、非点収差および像面湾曲の補正を有効に行うことができる。このため、本参考例は、参考例２に比べて、像面１８への入射角が５．０ｄｅｇ以下というテレセントリック性を維持したまま（図１２）、非点隔差の量が小さくなっている。テレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化が小さい走査光学系となる。
【００９６】
また、負レンズ（１０１ａ）の硝材のアッベ数ν１は３１．１、正メニスカスレンズ（１０１ｂ）の硝材のアッベ数ν２は３７．２であり、
ν１＜ν２を満たす。
【００９７】
このアッベ数の関係により、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、色収差を補正する効果を持つ。本参考例において、光源１１からの光としてＦ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の横収差図を図１３に示す。図１３において、（ａ）は像面１８上における画像中心、（ｂ）は像高５０％、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。また、図１３において実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。
【００９８】
図１３から、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、走査光学系１０１は良好な色収差補正を行えることが分かる。なお、光源１１からの光が単一の波長を有する場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系１０１の性能の変化がほとんど生じない効果を持つ。
【００９９】
このように、本参考例では、走査光学系１０１のうち最も偏向ユニット１６側に負の光学パワーを持つレンズ（第１のレンズ１０１ａ）を、最も像面１８側に正の光学パワーを持つレンズ（第２のレンズ１０１ｂ）を配置することで、像面湾曲が補正された、テレセントリック性を持つ走査光学系を構築できる。さらに、正レンズ（１０１ｂ）を、偏向ユニット１６側に凸面を向けた正メニスカスレンズとすることで、ディストーションが補正された走査光学系を構築できる。
【０１００】
なお、以上説明した参考例１〜３では、偏向ユニット１６側の負レンズと、像面１８側の正メニスカスレンズとの間にレンズを配置しないか１枚のレンズを配置して走査光学系を構築したが、負レンズと正メニスカスレンズとの間に入るレンズの枚数はこれに限らず、２枚以上のレンズを挿入してもよい。
【０１０１】
また、参考例１〜３では、収束光束を偏向ユニット１６に導く反射面としてハーフミラー１４を用いているが、反射面としてはこれに限らない。例えば、反射面として、偏光分離作用を持つ偏向ビームスプリッタを配置し、波長板と併せて使用することも可能である。
【０１０２】
なお、本参考例でも、
Ｄ１／Ｄ＝０．６１９
Ｄ２／Ｄ＝０．１１６
であり、上述した（Ａ），（Ｂ）の条件式を満足する。
【０１０３】
（実施形態１）
図１４には、本発明の実施形態１である２次元走査装置の垂直断面を示している。本実施形態は、偏向ユニット１６に光源１１からの光束が斜めに（偏向ミラーの図１４の紙面内方向に延びる偏向軸に対して斜め方向から）入射することで発生する、画像の枠の歪み（ＴＶディストーション）を補正できるものである。
【０１０４】
光源１１からの光束（平行光束）１２は、集束レンズ１３により収束光束に変換され、折り返しミラー１４１により光路を曲げられ、保護ガラス１５を透過した後、偏向ユニット１６に入射する。偏向ユニット１６は、参考例１と同様に、２次元方向に光束を偏向走査可能なＭＥＭＳデバイスを用いたものである。光束１２は偏向ユニット１６により２次元方向に偏向される。偏向された光束は、保護ガラス１５を再び透過した後、走査光学系１４２に入射する。
【０１０５】
走査光学系１４２は、最も偏向ユニット１６側に配置された負レンズである第１のレンズ１４２ａと、最も像面１８側に配置された正メニスカスレンズである第２のレンズ１４２ｃと、これら第１および第２のレンズ１４２ａ，１４２ｃ間に配置された正レンズである第３のレンズ１４２ｂとから構成されている。
【０１０６】
走査光学系１４２を透過した光束１２は、像面１８上に結像する。このため、偏向ユニット１６により２次元方向に偏向された光束の像面１８上でのスポット像が２次元方向に走査され、像面１８上に２次元画像が形成される。
【０１０７】
ここで、本実施形態（およびこれ以降の実施形態）では、走査光学系１４２の負レンズ（第１のレンズ）１４２ａの中心を通る軸、つまりは偏向ユニット１６による光束の２次元方向での偏向範囲の中心軸Ｌｄｃを走査光学系１４２の光軸と定義する。本実施形態では、この走査光学系１４２の光軸（２次元偏向範囲の中心軸）Ｌｄｃと偏向ユニット１６に入射する光束１２の光軸とを含む断面（図１４におけるＸＺ断面であり、以下、偏向ユニット１６への入射断面という）において、第２のレンズ１４２ｃおよび第３のレンズ１４２ｂが走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対してチルトやシフトして配置されている。
【０１０８】
本実施形態に従う数値実施例の各光学素子の曲率半径、面間隔、チルト量およびシフト量を表４に示す。チルト量およびシフト量は、偏向ユニット１６への入射断面での走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対する傾き量および移動量を表している。また、本実施形態において、偏向ユニット１６の偏向ミラーの振幅は、図１４の紙面に垂直な方向において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面内方向において±４．１３ｄｅｇであり、振幅の８割を光束偏向に使用し、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定されている。
【０１０９】
【表４】
【０１１０】
本実施形態では、集束レンズ１３によって収束光束に変換された光源１１からの光束１２は、偏向ユニット１６への入射断面において、中立状態（非振動状態）にある偏向ユニット１６の図１４の紙面内方向に延びる偏向軸（光束が紙面に対して垂直な方向に偏向されるときの偏向軸）の法線に対して１２．５ｄｅｇ傾いて偏向ユニット１６に入射する。
【０１１１】
このように、偏向ユニット１６に、その偏向軸に対して斜め方向から光束１２が入射する場合、これを原因として、像面１８上に形成される画像には大きなＴＶディストーションと台形歪みが発生する。
【０１１２】
ここで、本実施形態の比較例として、図１５に示すような光学系を考える。この比較例における走査光学系１５１は、偏向ユニット１６側から順に、負、正、正の光学パワーを持った３枚のレンズ１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃにより構成されている。３枚のレンズ１５１ａ〜１５１ｃは光軸Ｌｄｃに対して互いに偏心（シフト）しておらず、走査光学系１５１を透過して像面１８の画像中心へ向かう光束は、各レンズ１５１ａ〜１５１ｃの中心を透過する。また、図１５においても、偏向ユニット１６に入射する光束１２は、中立状態にある偏向ユニット１６の図１５の紙面内方向に延びる偏向軸の法線に対して１２．５ｄｅｇ傾いている。このため、像面１８上における画像には、大きなＴＶディストーションが発生する。
【０１１３】
図１６には、図１５に示した２次元走査装置におけるＴＶディストーションの形状を示した表示画像（格子）を、また表５にはそのＴＶディストーションの大きさを示す。
【０１１４】
図１６に示すように、本来直線状であるはずの水平の線が大きく湾曲している。その大きさは、上辺にて０．４３％、下辺にて１．７９％である。また、本来長方形であるはずの画像が台形状に変形している。この台形歪みの大きさは、左右ともに１．３２％である（表５）。ここで、ＴＶディストーションおよび台形歪みの大きさは、図１７のように示され、その数値は以下の式２で表される。
【０１１５】
【表５】
【０１１６】
〈式２〉
ＴＶディストーション
上辺； ｆ／Ｂ×１００（％）
下辺； ｅ／Ｂ×１００（％）
台形歪み
左辺； ｇ／２／Ａ×１００（％）
右辺； ｈ／２／Ａ×１００（％）
このように、図１５のような偏心を用いない構成の走査光学系１５１では、光偏向ユニット１６に対して光束が斜め入射した場合に発生するＴＶディストーションを抑えることができず、高品位の２次元画像を得ることができない。
【０１１７】
これに対し、本実施形態では、走査光学系１４２の第３のレンズ（正レンズ）１４２ｂが、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対し、図１４における時計回り方向（マイナス側）に１０．６３ｄｅｇチルトしている。これは、光束１２が偏向ユニット１６に入射する側（図１４の右側）へのチルトであり、偏向ユニット１６に入射する光束とレンズの中心軸が平行に近づく向き（入射光束とレンズの中心軸のなす角が小さくなる向き）へのチルトである。
【０１１８】
さらに、第３のレンズ１４２ｂは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対し、図１４中の右側（マイナス側）に０．２５ｍｍシフトしている。これは、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのシフトであり、偏向ユニット１６への入射光束に近づく側へのシフトである。
【０１１９】
そしてこれは、第３のレンズ１４２ｂが、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃ上で、第１のレンズ（負レンズ）１４２ａの第２面（出射面：表４の１２面）から像面１８側に０．２２ｍｍ移動した点を回転中心として、回転半径１．３２ｍｍで時計回り方向に１０．６３ｄｅｇ回転したのと等価である。
【０１２０】
また、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１４２ｃは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対し、光束１２が偏向ユニット１６に入射する側とは反対側、すなわち図１４における左側（プラス側）に０．９９ｍｍシフトしている。これは、偏向ユニット１６に入射する光束１２から離れる側へのシフトである。
【０１２１】
本実施形態の２次元走査装置により形成される画像（格子）を図１８に、その画像のＴＶディストーションの量を表６に示す。図１６と図１８から、本実施形態では像面１８に形成される画像の上辺および下辺の湾曲が小さく、かつ台形の歪みも非常に少なくなっていることがわかる。
また、表６から、ＴＶディストーションの量が上辺で０．４１％、下辺で０．７９％、台形歪みが左右で０．５６％と、図１５に示した光学系のＴＶディストーション（表５）より大きく減少していることがわかる。このように、走査光学系を構成する光学素子に適当なチルトやシフトを与えることで、ＴＶディストーションと台形歪みを良好に補正することができる。
【０１２２】
【表６】
【０１２３】
特に、本実施形態では、第３のレンズ（正レンズ）１４２ｂをチルトさせることで、台形歪みを補正し、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１４２ｃをシフトさせることでＴＶディストーションを補正している。なお、両者は相互に影響を与えるものであり、両者のバランスを取りながら設計する必要がある。また、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１４２ｃの凸面を偏向ユニット１６側に向けることで、第３のレンズ（正レンズ）１４２ｂのチルトにより発生する収差を小さくしている。さらに、第２のレンズ１４２ｃをメニスカスレンズとすることで、第３のレンズ１４２ｂのチルトによる、像面湾曲への影響を小さくしている。
【０１２４】
図１９には、走査光学系１４２から像面１８への光束の入射角と像高との関係を示している。横軸は像高（％）、縦軸は入射角（ｄｅｇ）である。
【０１２５】
図１９から、全画角において、入射角が５ｄｅｇ以下と良好なテレセントリック性を有していることがわかる。このように走査光学系１４２がテレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化を小さくすることができる。
【０１２６】
本実施形態では、走査光学系１４２とは別に、光源１１から偏向ユニット１６への入射系として、集束レンズ１３を持つ。偏向ユニット１６に入射する光束１２を集束レンズ１３によって収束させることで、集束レンズ１３と走査光学系１４２とでパワーを分担できる。これにより、集束レンズ１３が光束１２を結像させる効果と、走査光学系１４２がディストーションと非点隔差を補正する効果とを、集束レンズ１３と走査光学系１４２とがそれぞれ分担することができる。
【０１２７】
本実施形態では、集束レンズ１３と偏向ユニット１６との間の光路上に、折り返しミラー１４１を設けている。この折り返しミラー１４１を挿入することで、光源１１からの光束１２を偏向ユニット１６に導く入射系をコンパクト化することができ、また光源１１の配置に自由度が増す。
【０１２８】
また、本実施形態において、負レンズ（１４２ａ）の硝材のアッベ数ν１は３５．３、正メニスカスレンズ（１４２ｃ）の硝材のアッベ数ν２は５２．６であり、
ν１＜ν２
を満たす。
【０１２９】
このアッベ数の関係により、走査光学系１４２は、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射する場合に、色収差を補正する効果を持つ。本実施形態において、光源１１からの光の波長が、Ｆ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）である場合の横収差図を図２０に示す。
【０１３０】
図２０は、偏向ユニット１６によるｘ方向（水平方向）、ｙ方向（垂直方向）への光束偏向による画像の形成範囲をそれぞれ１としたとき、
（ａ）ｘ：−０．５，ｙ：−０．５
（ｂ）ｘ：−０．２５，ｙ：−０．２５
（ｃ）ｘ：０，ｙ：０
（ｄ）ｘ：０．２５，ｙ：０．２５
（ｅ）ｘ：０．５，ｙ：０．５
の各位置での横収差図を示している。また、図２０において実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。図２０から、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させた場合に、走査光学系１４２は良好な色収差補正を行うことが分かる。なお、光源１１からの光が単一の波長を有する場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系１４２はその性能の変化がほとんど生じない効果を持つ。
【０１３１】
（実施形態２）
図２１には、本発明の実施形態２である２次元走査装置の垂直断面を示している。本実施形態は、実施形態１の像面のサイズを大きくしたものに相当する。この場合、偏向ユニット１６の偏向ミラーの振幅は実施形態１と同じとし、該振幅のうち光束偏向に使用する幅を８割から９割にして、両側のブランクを１割から０．５割に変更した。これにより、像面のサイズも実施形態１に比べて１．１１倍に大きくなる。なお、偏向ユニット１６への光束１２の斜め入射角は、１２．５ｄｅｇであり、実施形態１と同じである。また、集束レンズ１３’を、平行光束を収束する無限共役のレンズから、点光源１１’からの発散光束を、収束光束に変換する有限共役のレンズに変更している。
【０１３２】
本実施形態に従う数値実施例の各光学素子の曲率半径、面間隔、チルト量およびシフト量を表７に示す。チルト量およびシフト量は、偏向ユニット１６への入射断面での走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対する傾き量および移動量を表している。
【０１３３】
【表７】
【０１３４】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して、走査光学系２１１の第３のレンズ（正レンズ）２１１ｂをチルトさせるとともにシフトさせ、さらに第２のレンズ（正メニスカスレンズ）２１１ｃをシフトさせることで、像面１８上に形成される画像のＴＶディストーションおよび台形歪みを補正している。
【０１３５】
本実施形態では、第３のレンズ２１１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面（ＸＺ断面）において、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して図２１での時計回り方向（マイナス側）に１５．４１ｄｅｇチルトしている。これは、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６へ入射する側へのチルトであり、偏向ユニット１６に入射する光束とレンズの中心軸が平行に近づく向き（入射光束とレンズの中心軸のなす角が小さくなる向き）へのチルトである。
【０１３６】
さらに、第３のレンズ２１１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対し、図２１での右側（マイナス側）に０．７２ｍｍシフトしている。これは、光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのシフトであり、偏向ユニット１６への入射光束１２に近づく側へのシフトである。
【０１３７】
そしてこれは、第３のレンズ２１１ｂが、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃ上で、第１のレンズ（負レンズ）２１１ａの第１面（入射面：表７の１１面）から０．５０ｍｍ偏向ユニット１６側に移動した点を回転中心として、回転半径２．６０ｍｍで時計回り方向に１５．４１ｄｅｇ回転したのと等価である。
【０１３８】
また、第２のレンズ２１１ｃは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対し、図２１での左側（プラス側）に０．８３ｍｍシフトしている。これは、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して偏向ユニット１６に光束１２が入射する側とは反対側、すなわち偏向ユニット１６に入射する光束１２から離れる側へのシフトである。
【０１３９】
図２２には本実施形態の２次元走査装置による走査画像（格子）を、表８には該走査画像のＴＶディストーションと台形歪みの量を示す。
【０１４０】
【表８】
【０１４１】
偏向ユニット１６で光束偏向に使用する振幅が大きくなると、発生するＴＶディストーションや台形歪みの量も大きくなる。しかし、表８から、本実施形態で発生するＴＶディストーションは、上辺で０．３９％、下辺で０．７０％、台形歪みは左右ともに０．５７％といずれも小さく、ＴＶディストーションと台形歪みが良好に補正されていることがわかる。
【０１４２】
このように、偏向ユニット１６による光束の偏向範囲（偏向角）が大きくなっても、第３のレンズ２１１ｂをチルトおよびシフトさせ、第２のレンズ２１１ｃをシフトさせることで、ＴＶディストーションおよび台形歪みを良好に補正することができる。
【０１４３】
また、図２３には、走査光学系２１１から像面１８への光束入射角と、像面１８上の画像における位置との関係を示す。横軸は像高（％）、縦軸は像面１８への入射角である。図２３から、本実施形態の走査光学系２１１についても、像面１８への入射角が５ｄｅｇ以下と良好なテレセントリック性を有していることがわかる。走査光学系２１１がテレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化が小さくなる。
【０１４４】
（実施形態３）
図２４には、本発明の実施形態３である２次元走査装置の垂直断面を示している。本実施形態は、実施形態２の走査光学系に回転対称非球面を導入したものに相当する。偏向ユニット１６の振幅とその光束偏向への使用幅、さらに偏向ユニット１６への光束１２の斜め入射角などは、実施形態２と同じである。
【０１４５】
本実施形態に従う数値実施例の各光学素子の曲率半径、面間隔、チルト量およびシフト量を表９に示す。チルト量およびシフト量は、偏向ユニット１６への入射断面での走査光学系の光軸Ｌｄｃに対する傾き量および移動量を表している。また、回転対称非球面である第３のレンズ（正レンズ）２４１ｂの像面１８側の面（出射面：表９中の面番号１４面）および第２のレンズ（正メニスカスレンズ）２４１ｃの偏向ユニット１６側の面（入射面：表９中の面番号１５面）については、非球面係数も合わせて示している。なお、回転対称非球面は、参考例３に説明した式１で表される。
【０１４６】
【表９】
【０１４７】
本実施形態（数値実施例）では、第３のレンズ２４１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面（ＸＺ断面）において、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対し、図２４中の時計回り方向（マイナス側）に１３．０９ｄｅｇチルトしている。これは、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのチルトであり、偏向ユニット１６に入射する光束とレンズの中心軸が平行に近づく向き（入射光束とレンズの中心軸のなす角が小さくなる向き）へのチルトである。
【０１４８】
さらに、第３のレンズ２４１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対し、図２４中の右側（マイナス側）に０．５９ｍｍシフトしている。これは、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのシフトであり、偏向ユニット１６への入射光束１２に近づく側へのシフトである。
【０１４９】
そしてこれは、第３のレンズ２４１ｂが、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃ上で、第１のレンズ（負レンズ）２４１ａの第１面（入射面：表９中の面番号１１面）から０．４９ｍｍ、偏向ユニット１６側に移動した点を回転中心として、回転半径２．５４ｍｍで時計回り方向に１３．０９ｄｅｇ回転したのと等価である。
【０１５０】
また、第２のレンズ２４１ｃは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して、図２４の左側（プラス側）に０．７２ｍｍシフトしている。これは、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側とは反対側へのシフトであり、偏向ユニット１６に入射する光束１２から離れる側へのシフトである。
【０１５１】
図２５には本実施形態の網膜走査型表示装置による走査画像（格子）を、表１０には該走査画像のＴＶディストーションと台形歪みの量を示す。
【０１５２】
【表１０】
【０１５３】
表１０から、本実施形態で発生するＴＶディストーションは、上辺で０．４５％、下辺で０．５５％、台形歪みは左右ともに０．５５％といずれも小さく、ＴＶディストーションと台形歪みが良好に補正されていることがわかる。
【０１５４】
本実施形態では、走査光学系２４１に回転対称非球面を導入することで、正レンズである第３のレンズ２４１ｂをチルトおよびシフトさせた効果と、正メニスカスレンズである第２のレンズ２４１ｃをシフトさせたことによるＴＶディストーションおよび台形歪みを補正する効果とを保持したまま、収差に与える影響を軽減することができる。このため、ＴＶディストーションと台形歪みへの補正効果を振り分けることができる。
【０１５５】
また、図２６には、走査光学系２４１から像面１８への光束の入射角と像面１８上の位置との関係を示す。横軸は画像対角方向の相対位置（％）、縦軸は像面への入射角である。
【０１５６】
図２６から、本実施形態においても、走査光学系２４１は、像面１８への光束入射角が５ｄｅｇ以下という良好なテレセントリック性を有していることがわかる。このテレセントリック性を有することで、走査光学系２４１は、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化が小さいものとなる。
【０１５７】
なお、実施形態１〜３では、偏向ユニットへの入射方向をすべて主走査方向の偏向軸を含む断面から入射させているが、副走査方向の偏向軸を含む断面から入射させてもかまわない。
【０１５８】
（実施形態４）
図２７には、本発明の実施形態４である網膜走査型表示装置の垂直断面を示している。この網膜走査型表示装置は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラといった撮像装置や各種観察機器等の光学機器３００に搭載され、電子ファィンダを構成するものである。
【０１５９】
本実施形態の網膜走査型表示装置は、実施形態３に示した２次元走査装置２７１の像面１８の後方に、接眼光学系２７２を配置したものであり、偏向ユニット１６で光束を２次元方向に偏向走査することで、観察者の網膜上に直接画像を形成（描画）する。
【０１６０】
２次元走査装置２７１は実施形態３と同じものであるため、ここでは、２次元走査装置２７１による１次結像面２７３（実施形態３の像面１８に相当する）よりも後方の接眼光学系２７２とその光学作用についてのみ説明する。
【０１６１】
一次結像面２７３において結像した光束１２は、拡散光束となり、接眼光学系２７２に入射する。接眼光学系２７２を構成する各光学素子の曲率半径および面間隔等を表１１に示す。接眼光学系２７２は、すべて光軸が一致する第１〜第６の球面レンズ（但し、第１および第２球面レンズと第５および第６球面レンズはそれぞれ貼り合わせレンズ）２７２ａ〜２７２ｄにより構成されている。
【０１６２】
【表１１】
【０１６３】
本実施形態において、接眼光学系２７２により光束１２は略平行光束に変換され、観察者の眼（瞳）２７４に入射する。観察者の瞳２７４に入射した光束１２は、眼の水晶体の作用によって網膜２７５上に結像し、スポット像２７６を結ぶ。このため、偏向ユニット１６によって光束１２が２次元方向に偏向されることにより、スポット像２７６は観察者の網膜２７５上で２次元方向に走査される。これにより、観察者の網膜２７５で走査されるスポット像２７６の残像効果によって２次元画像が観察者に認識される。
【０１６４】
本実施形態において、網膜２７５上に形成される画像（格子）を図２８に、そのＴＶディストーションおよび台形歪みの量を表１２に示す。
【０１６５】
【表１２】
【０１６６】
表１２から、本実施形態で発生するＴＶディストーションは、上辺で０．３３％、下辺で０．５８％、台形歪みは左右ともに０．５８％といずれも小さく、ＴＶディストーションと台形歪みが良好に補正されていることがわかる。
【０１６７】
本実施形態では、２次元走査装置２７１により１次結像面２７３上に形成された空中像を接眼光学系２７２により拡大するのと等価となる。よって、１次結像面２７３上の空中像のＴＶディストーションおよび台形歪みが補正されているため、網膜２７５上に形成される画像のＴＶディストーションおよび台形歪みも小さくなる。
【０１６８】
また、本実施形態において、２次元走査装置２７１は略テレセントリック光学系となっている。このため、接眼光学系２７２を１次結像面２７３に対して垂直な方向（走査光学系２４１の光軸に平行な方向）に移動させることで、容易に視度調整を行うことが可能である。
【０１６９】
また、本実施形態では、光源からの光の波長を特に指定していないが、光源として赤、緑、青の波長を持つ複数の発光部を用いることで、フルカラーの網膜走査型表示装置を構成することも可能である。
【０１７０】
なお、上記実施形態１〜４では、すべて回転対称の球面および非球面のレンズを用いた場合について説明したが、回転非対称非球面のレンズを用いても同等の効果を得ることが可能である。
（参考例４）
図２９には、本発明に関する参考例４である網膜走査型表示装置の垂直断面を示している。この網膜走査型表示光学系は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラといった撮像装置や各種観察機器等の光学機器４００に搭載され、電子ファィンダを構成するものである。
【０１７１】
本参考例の網膜走査型表示装置は、参考例１に示した２次元走査装置２９１の像面１８の後方に、接眼光学系２９２を配置したものであり、偏向ユニット１６で光束を２次元方向に偏向走査することで、観察者の網膜上に直接画像を形成（描画）する。
【０１７２】
２次元走査装置２９１は参考例１と同じものであるため、ここでは、２次元走査装置２９１による１次結像面２９３（参考例１の像面１８に相当する）よりも後方の接眼光学系２９２とその光学作用についてのみ説明する。
【０１７３】
一次結像面２９３において結像した光束１２は、拡散光束となり、接眼光学系２９２に入射する。接眼光学系２９２を構成する各光学素子の曲率半径および面間隔等を表１３に示す。接眼光学系２９２は、すべて光軸が一致する第１〜第６の球面レンズ（但し、第１および第２球面レンズと第５および第６球面レンズはそれぞれ貼り合わせレンズ）２９２ａ〜２９２ｄにより構成されている。
【０１７４】
【表１３】
【０１７５】
本参考例において、接眼光学系２９２により光束１２は略平行光束に変換され、観察者の眼（瞳）２９４に入射する。観察者の瞳２９４に入射した光束１２は、眼の水晶体の作用によって網膜２９５上に結像し、スポット像２９６を結ぶ。このため、偏向ユニット１６によって光束１２が２次元方向に偏向されることにより、スポット像２９６は観察者の網膜２９５上で２次元方向に走査される。これにより、観察者の網膜２９５で走査されるスポット像２９６の残像効果によって２次元画像が観察者に認識される。
【０１７６】
本参考例における網膜２９５上での光学系の収差図を図３０に示す。図３０において、収差図の導出の際には、観察者の瞳２９４の位置に焦点距離２２ｍｍの理想レンズを配置し、網膜２９５上に結像させた収差をプロットしている。また、図３０の横軸は瞳径を表しており、本参考例では瞳径Ｄｅ＝１．５ｍｍ（−０．７５ｍｍ＜ｘ＜０．７５ｍｍ）とする。
【０１７７】
図３０から、本参考例の網膜走査型表示装置は、非点収差が小さく、かつディストーションの小さい高品位な画像を提供できることがわかる。
【０１７８】
また、本参考例の光学系に、光源１１からの光としてＦ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の横収差図を図３１に示す。
【０１７９】
図３１において、収差図の導出の際には、観察者の瞳２９４の位置に焦点距離２２ｍｍの理想レンズを配置し、網膜上に結像させた収差をプロットしている。図３１で、実線はｅ線、１点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。また、図３１において、（ａ）は網膜２９５上における画像中心での、（ｂ）は像高５０％での、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。各像高において、色収差の補正が良好に行われていることがわかる。
【０１８０】
また、本参考例において、２次元走査装置２９１は略テレセントリック光学系となっている。このため、接眼光学系２９２を１次結像面２９３に対して垂直な方向（走査光学系１７の光軸に平行な方向）に移動させることで、容易に視度調整を行うことが可能である。
【０１８１】
また、本参考例では、光源からの光の波長を特に指定していないが、光源として赤、緑、青の波長を持つ複数の発光部を用いることで、フルカラーの網膜走査型表示装置を構成することも可能である。複数の光源を用いる場合、赤、緑、青の光源からの光束を、ダイクロイックプリズムなどの色を合成する手段で合成し、赤・緑・青それぞれの光源ごとに変調を行うことで、カラー画像を表現する。その他、青、緑、赤の３色の光を順次（フィールドシーケンシャルに）、偏向ユニットに向けることによっても、カラー画像の表現は可能である。
【０１８２】
これ以外にも、白色の光源と青、緑、赤の３色のフィルタを回転可能なターレット上に配置したものとを組み合わせて、青、緑、赤の３色の光を順次、偏向ユニットに向けることができる。
【０１８３】
なお、このように光源から青、緑、赤の３色の光を偏向ユニットへ向けつつ偏向ユニットと走査光学系を使ってカラーの２次元画像を形成する際の、光源や偏向ユニットの制御方法についての説明は省略する。
【０１８４】
なお、上記実施形態１〜４では、偏向ユニットとして１つの偏向ミラーで２次元方向へ光束の偏向が可能な、共振運動を利用したものを用いた場合について説明したが、１次元方向に光束を偏向可能な偏向器を２つ組み合わせる方法や、共振を用いたものではなく、等角速度運動するガルバノミラーのような偏向器を用いることも可能である。
【０１８５】
さらに、上記実施形態１〜４では、走査光学系にガラスレンズを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、射出成型により成形されたプラスチックレンズを用いることにより、製造が容易になり、コストダウンが図れる。
【０１８６】
また、前述した特開平８−１４６３２０号公報に提案されているように、電気的にＴＶディストーションを補正する技術もあるが、この種の電気的な補正と本発明における走査光学系による光学的な補正とを組み合わせて画像の歪みを補正する構成を採ることも可能である。
【０１８７】
電気的に補正する場合、偏向ユニットを制御する駆動回路（不図示）により２次元走査の際の反射面の傾斜角度を、光学的補正後の残存ディストーションを補正するように制御する。
【０１８８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源からの光束が偏向手段に対していわゆる斜め入射する場合に、走査光学系を構成する第３の光学素子を光源からの光束が偏向手段に入射する側にチルト及びシフトさせ、第２の光学素子を光源からの光束が偏向手段に入射する側とは反対側にシフトさせることにより、光束の２次元走査によって形成される画像に発生するＴＶディストーションおよび台形歪みを含むディストーションを光学的に良好に補正することができる。このため、高品位の画像観察が可能な走査型表示光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する参考例１である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図２】上記２次元走査装置に用いられる偏向ユニット（ＭＥＭＳデバイス）の概略図である。
【図３】参考例１における走査光学系の収差図である。
【図４】参考例１における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図５】参考例１における走査光学系の横収差図である。
【図６】本発明に関する参考例２である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図７】参考例２における走査光学系の収差図である。
【図８】参考例２における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図９】参考例２における走査光学系の横収差図である。
【図１０】本発明に関する参考例３である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図１１】参考例３における走査光学系の収差図である。
【図１２】参考例３における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図１３】参考例３における走査光学系の横収差図である。
【図１４】本発明の実施形態１である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図１５】実施形態１の比較例の光学系の垂直断面図である。
【図１６】上記比較例の光学系による表示画像（格子）を示す図である。
【図１７】ＴＶディストーションの算出方法の説明図である。
【図１８】実施形態１による表示画像（格子）を示す図である。
【図１９】実施形態１における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図２０】実施形態１における走査光学系の横収差図である。
【図２１】本発明の実施形態２である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図２２】実施形態２による表示画像（格子）を示す図である。
【図２３】実施形態２における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図２４】本発明の実施形態３である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図２５】実施形態３による表示画像（格子）を示す図である。
【図２６】実施形態３における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図２７】本発明の実施形態４である網膜走査型表示装置の垂直断面図である。
【図２８】実施形態４による表示画像（格子）を示す図である。
【図２９】本発明に関する参考例４である網膜走査型表示装置の垂直断面図である。
【図３０】参考例４における光学系の収差図である。
【図３１】参考例４における光学系の横収差図である。
【符号の説明】
１１ 光源
１２ 光束
１３ 集束レンズ
１４ ハーフミラー
１５ 保護ガラス
１６ 偏向ユニット
１７，６１，１０１，１４２，１５１，２１１，２４１ 走査光学系
１８ 像面
２１ 偏向ミラー
１４１ 折り返しミラー
２７１，２９１ ２次元走査装置
２７２，２９２ 接眼光学系
２７３，２９３ １次結像面
２７４，２９４ 眼（瞳）
２７５，２９５ 網膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元方向に光束を偏向走査することにより２次元画像を形成する２次元走査装置を用い、特に観察者の網膜上に画像を走査形成する電子ファインダ等に好適な走査型表示光学系及び走査型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光源から出射した光束を光偏向部材によって２次元方向に偏向走査して観察者の網膜上に残像効果を利用して直接画像を形成する網膜直接描画型の表示装置は従来いくつか提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１〜３には、網膜走査型ディスプレイの概要が開示されている。このディスプレイは、２次元方向に偏向された光束を１次結像面に結像させ、接眼光学系を通して観察者の網膜上に２次元画像を形成するものである。
【０００４】
また、特許文献４には、プリズムを少なくとも１つ有する網膜直接描画型の表示装置が提案されている。プリズムは、入射面と内部反射面と出射面の少なくとも３面を有し、偏向された光束がプリズム内で３回以上反射するとともに、反射面のうち少なくとも１面は光学パワーを持つものである。
【０００５】
また、像面上をスポットで２次元的に走査して２次元画像を形成する２次元走査型の表示光学系も従来提案されている。ここで、網膜直接描画型の表示装置では、光束を偏向した際に生じる走査スポットの像面上におけるデフォーカスにより、像面上での走査スポットの移動特性や像面サイズに変化が生じる。そして、これにより画角の変化や像の歪みが生じてしまう。
【０００６】
このため、特許文献５には、光束を偏向した際のデフォーカスにより、走査スポットの像面上における移動特性がｆθ特性から外れないようにテレセントリック性を持たせた光学系が提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献６には、光源から出射した光束を２次元的に偏向し、歪曲特性としてｆ・ｓｉｎθ特性を有した走査レンズにより被走査面上を２次元的に走査する２次元走査装置が提案されている。これは、走査レンズのｆ・ｓｉｎθ特性と電気的な補正とにより表示画像の歪みを補正するものである。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許５５５７４４４号
【特許文献２】
米国特許５４６７１０４号
【特許文献３】
米国特許５９０３３９７号
【特許文献４】
特開２００１−４９５５号公報
【特許文献５】
特開平１０−６８８７６号公報
【特許文献６】
特開平０８−１４６３２０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１〜３には、網膜走査型ディスプレイの具体的な光学構成については記載されていない。
【００１０】
また、特許文献４にて提案されているように、プリズム内の反射面を用いた構成では、一般に光学部材の反射率は透過率に比べ低いため、光量損失が問題となる。特に、特許文献４にて提案されているもののように３面以上の反射面を用いた場合、光量損失が大きくなる。
【００１１】
また、特許文献５にて提案の２次元走査装置は、テレセントリック性を有し、デフォーカスによる像面上での走査スポットの移動特性変化は小さいものの、光源の波長が１０μｍ以上の赤外波長に対する用途のものであり、可視光領域での使用目的には適さない。また、異なる波長を持つ複数の光源を用いた場合については特許文献５には記載されていない。
【００１２】
また、特許文献６にて提案の２次元走査装置は、像面がデフォーカスした際に像面の大きさが変化したり、像面上での特性が変化したりするために、一定の歪曲特性を求める用途には使用が困難である。
【００１３】
さらに、光束を２次元方向に偏向走査して２次元画像を形成する場合、像面上における画像の歪み、所謂ディストーションが発生することが知られている。このディストーションには、台形歪み、等速走査性のディストーションと直進走査性のディストーション、さらに像面上に形成された画像の枠が歪むことを称したＴＶディストーションがある。特に、光偏向部材への光源からの光束の入射方向が、光偏向部材における偏向軸に対して斜め方向なっている（斜め入射する）場合には、ＴＶディストーションや台形歪みが大きくなる。
【００１４】
しかし、特許文献６にて提案の２次元走査装置が採用する電気的補正では、ＴＶディストーションの効果的な補正が困難である。また、特許文献５には、ＴＶディストーションの補正に関して記載がない。
【００１５】
本発明は、光束の２次元走査によって形成される画像のディストーションを光学的に補正し、高品位な画像を観察させることが可能な、特に網膜直接描画に好適な網膜走査型表示装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の走査型表示光学系は、光源からの光束を２次元方向に偏向する偏向手段と、偏向手段により偏向された光束を結像させる走査光学系とを有する。ここで、偏向手段への光源からの光束の入射方向が、偏向手段における２方向の偏向軸（例えば、偏向手段が揺動可能な反射面を有する場合のその揺動軸）のうち少なくとも一方に対して斜め方向である。そして、走査光学系は、最も偏向手段側に配置された負の光学パワーを有する第１の光学素子と、像面側に配置された正の光学パワーを有する第２の光学素子と、第１及び第２の光学素子の間に配置された正の光学パワーを有する第３の光学素子とを含み、第３の光学素子は、偏向手段による光束の２次元偏向範囲の中心軸に対して、光源からの光束が偏向手段に入射する側にチルトおよびシフトし、第２の光学素子は、上記中心軸に対して、光源からの光束が偏向手段に入射する側とは反対側にシフトしている。
【００１７】
このように、光源からの光束が偏向手段に対していわゆる斜め入射する場合に、走査光学系を構成する第３の光学素子を、上記中心軸に対して光源からの光束が偏向手段に入射する側にチルト及びシフトさせ、第２の光学素子を上記中心軸に対して光源からの光束が偏向手段に入射する側とは反対側にシフトさせることにより、光束の２次元走査によって形成される画像に発生するＴＶディストーションおよび台形歪み含むディストーションを光学的に良好に補正することが可能となる。
【００１８】
なお、ここにいう光学パワーとは、焦点距離の逆数である。
【００１９】
また、第２の光学素子を偏向手段側に凸面を向けたメニスカスレンズとし、第３の光学素子を像面側に凸面を向けたレンズとしてもよい。第３の光学素子の出射面側を凸面とすることで、第３の光学素子をチルトさせたときの収差への影響を小さくすることが可能である。
【００２０】
また、走査光学系の像面への光束の入射角度を５度以内としてもよい。これにより、走査光学系を略テレセントリックな光学系とし、像面がデフォーカスしても、像面上での走査スポットの移動特性の変化や像面サイズの変化を小さくすることが可能である。
【００２１】
また、光源と走査光学系との間に、光源からの光束を収束光束に変換する集束光学素子を設けてもよい。これにより、集束光学素子と走査光学系とでパワーを分担し、走査光学系をディストーションと非点隔差の補正に適した構成とすることが可能となる。
【００２２】
また、光源と偏向手段との間又は集束光学素子と偏向手段の間に、光源からの光束を偏向手段に、偏向軸に対して斜め方向から入射させるよう導く反射面を設けてもよい。これにより、光源から偏向手段への光束の入射系をコンパクトにでき、また光源の配置に自由度を増すことが可能である。
【００２３】
また、以下の条件を満足するようにしてもよい。
【００２４】
ν１＜ν２
但し、ν１は第１の光学素子のアッベ数、ν２は第２の光学素子のアッベ数である。
【００２５】
これにより、特に光源が、互いに異なる波長を持つ複数の色光を発する場合に、色収差の補正効果を得ることが可能となる。
【００４９】
そして、以上の走査型表示光学系を用いて、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、各種観察機器等の光学機器に搭載される電子ファインダを構成することができる。
【００５０】
この場合、上記光源を複数の色光を発するものとすることにより、カラー画像の走査表示を行う電子ファインダとすることもできる。
【００５１】
さらに、上述した走査型表示光学系を用いて、プロジェクタや、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に設けられる電子ファインダといった走査型画像表示装置を構成することも可能である。
【００５２】
【発明の実施の形態】
（参考例１）
図１には、本発明に関する参考例１である２次元走査装置の垂直断面（ＸＺ断面、以下の参考例及び本発明の実施形態も同様）を示している。図１において、１１は光源であり、レーザダイオード、ＬＥＤ、ランプ等により構成されている。光源１１は、画像信号が入力された不図示の駆動回路により発光が制御される。
【００５３】
光源１１から発せられた光束（平行光束）１２は、２枚の集光レンズを貼り合わせて構成される集束レンズ１３により収束光束に変換され、ハーフミラー１４に入射する。ハーフミラー１４での反射により、光束１２は９０度折り曲げられ、保護ガラス１５を透過して偏向ユニット１６に入射する。保護ガラス１５は、偏向ユニット１６を外乱から保護するために設けられている。
【００５４】
偏向ユニット１６としては、例えば互いに直交する揺動軸（偏向軸）を中心に反射面を２次元的に揺動させ、この反射面に入射して反射した光束を２次元方向（Ｘ方向およびＹ方向）に偏向可能なＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）デバイスが用いられている。
【００５５】
光束１２は偏向ユニット１６によって２次元方向に偏向走査され、保護ガラス１５およびハーフミラー１４を透過して走査光学系１７に入射する。
【００５６】
走査光学系１７は最も偏向ユニット１６側に配置された第１のレンズ１７ａと、最も走査光学系１７の像面１８側に配置された第２のレンズ１７ｃと、これら第１および第２のレンズ１７ａ，１７ｃ間に配置された第３のレンズ１７ｂとから構成されており、偏向ユニット１６により偏向された光束１２を像面１８上に結像させる。
【００５７】
こうして偏向ユニット１６によって２次元方向に偏向走査される光束１２が走査光学系１７によって像面１８上に結像されることにより、像面１８上には光の残像効果により２次元画像が形成される。
【００５８】
ここで、偏向ユニット１６として用いられるＭＥＭＳデバイスの構成について、図２を用いて簡単に説明する。このＭＥＭＳデバイスは、微小な偏向ミラー２１を有し、この偏向ミラー２１はトーションバー（偏向軸）２２を介して揺動枠２３により支持されている。また、揺動枠２３は、トーションバー２２に対して直交するトーションバー（偏向軸）２４を介して筐体２５により支持されている。偏向ミラー２１は、その裏面に備えられた磁石が図示しないコイルから発生する磁力に反応して、トーションバー２２，２４を中心にして２次元方向に振動（揺動）する。この２次元方向の振動のうち一方又は双方は共振によるものである。そして、この揺動する偏向ミラー２１に入射し反射した光束は、偏向軸を中心（要）として２次元方向に偏向される。
【００５９】
本参考例の偏向ユニット１６では、偏向ミラー２１は、図１の紙面内方向（Ｘ方向）において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面に垂直な方向（Ｙ方向）において±４．１３ｄｅｇの振幅を持ち、それぞれ振幅全体の８割を光束偏向に用い、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定される。
【００６０】
本参考例に従う２次元走査装置の数値実施例として、各光学素子の曲率半径および面間隔を表１に示す。曲率半径および面間隔の単位はｍｍである。また、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示している。走査光学系１７の３枚のレンズ１７ａ，１７ｂ，１７ｃはそれぞれ負，正，正の光学パワー（焦点距離の逆数）を持つ。第２のレンズ１７ｃは正メニスカスレンズであり、その凸面は偏向ユニット側に向いている。
【００６１】
【表１】
【００６２】
本参考例では、走査光学系１７のうち、最も偏向ユニット１６側に負レンズである第１のレンズ１７ａを配置し、最も像面１８側に正メニスカスレンズである第２のレンズ１７ｃを配置することで、光学系の全長を短くしながら、走査光学系１７にテレセントリック性を持たせている。
【００６３】
また、負レンズ（１７ａ）と正メニスカスレンズ（１７ｃ）の組み合わせにより、走査光学系１７に像面１８上における像面湾曲を補正する効果を付与している。さらに、正メニスカスレンズ（１７ｃ）の凸面を偏向ユニット１６側に向けることで、走査光学系１７に、像面１８上におけるディストーションを補正する効果を付与している。
【００６４】
図３には、本参考例（数値実施例）の収差図を示す。図３（ａ）には主走査方向（図１の紙面内方向）と副走査方向（図１の紙面に垂直な方向）における非点隔差（単位ｍｍ）を、図３（ｂ）には主走査方向の偏向角によるディストーション量（単位％）の変化を表している。図３（ａ）において、実線は主走査方向、点線は副走査方向を表す。なお、以後、収差図と述べた場合、図３と同様に、非点隔差、ディストーションの各量を表す図のことを示すものとする。図３から、本参考例の走査光学系１７により非点隔差およびディストーションが良好に補正されることがわかる。
【００６５】
また、図４には、本参考例の走査光学系１７による像面１８への入射角と像面１８上に形成される画像上での相対位置との関係を示す。横軸は像高（％）、縦軸は像面への入射角（ｄｅｇ）を示す。
【００６６】
この図４から、本参考例の走査光学系１７は、像面１８への入射角が５ｄｅｇ以下の良好なテレセントリック性を有していることがわかる。テレセントリック性を有することで、像面１８がデフォーカスしても、像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化の小さい走査光学系となる。
【００６７】
また、負レンズ（１７ａ）の硝材のアッベ数ν１は３１．１、正メニスカスレンズ（１７ｃ）の硝材のアッベ数ν２は５５．４である。すなわち、
ν１＜ν２
を満たす。
【００６８】
このアッベ数の関係により、走査光学系１７は、光源１１から互いに異なる複数の波長の光が出射する場合に、色収差を補正する効果を持つことができる。
【００６９】
本参考例において、光源１１からの光としてＦ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の、横収差図を図５に示す。
【００７０】
図５において、（ａ）は像面１８上における画像中心、（ｂ）は像高５０％、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。また、図５において実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。図５より、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させた場合に、走査光学系１７は良好な色収差補正を行うことが分かる。また、光源１１からの光が単一の波長を有する場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系１７の性能変化がほとんど生じない効果を持つ。
【００７１】
また、本参考例は、走査光学系１７とは別に、偏向ユニット１６への入射系として集束レンズ１３を持つ。偏向ユニット１６に対して収束光束を入射させることで、集束レンズ１３と走査光学系１７とでパワーを分担できる。これにより、走査光学系１７はディストーションと非点隔差の補正に適した構成とすることができる。
【００７２】
また、本参考例は、集束レンズ１３と偏向ユニット１６との間の光路上に、ハーフミラー１４を持つ。ハーフミラー１４を挿入することで、光源１１からの光束１２を偏向ユニット１６に導く入射系をコンパクトにすることができる。さらに、偏向ユニット１６に対して光束１２を垂直（２方向の偏向軸に対して垂直）に入射させることができる。
【００７３】
また、本参考例において、図１に示すように、偏向ユニット１６から走査光学系１７の像面１８までの距離をＤ、偏向ユニット１６から第１のレンズ（負レンズ）１７ａの第１面（入射面）までの距離をＤ１としたとき、
Ｄ１／Ｄ＝０．６４５
である。
【００７４】
このＤ１／Ｄが０．４を下回ると、光源１１からの光束１２を導く入射系に自由度がなくなる。また、Ｄ１／Ｄが０．８を上回ると、走査光学系１７を含む２次元走査装置全体の大型化につながる。このため、
０．４≦Ｄ１／Ｄ≦０．８…（Ａ）
とするのが望ましい。
【００７５】
また、本参考例において、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１７ｃの第２面（出射面）から像面１８までの距離をＤ２としたとき、
Ｄ２／Ｄ＝０．１２３
となる。
【００７６】
このＤ２／Ｄが０．０５を下回ると、像面１８上に被走査物（例えば、スクリーン）を配置するのが困難になる。また、Ｄ２／Ｄが０．３を上回ると、走査光学系１７を含む２次元走査装置全体の大型化につながる。このため、
０．０５≦Ｄ２／Ｄ≦０．３ …（Ｂ）
とするのが望ましい。
【００７７】
（参考例２）
図６には、本発明に関する参考例２である２次元走査装置の垂直断面を示す。本参考例において、参考例１と共通する構成要素には参考例１と同符号を付して説明を省略する。なお、以下のすべての参考例及び本発明の実施形態においても、参考例１と共通する構成要素には参考例１と同符号を付して説明を省略する。
【００７８】
本参考例では、参考例１に対して、走査光学系６１を構成するレンズ枚数を、負レンズである第１のレンズ６１ａと正メニスカスレンズである第２のレンズ６１ｂの２枚に削減したものである。
【００７９】
このように走査光学系６１を２枚のレンズで構成することにより、走査光学系６１のコスト低減を図ることが可能になる。また、本参考例では、偏向ユニット１６の偏向ミラーは、図６の紙面内方向（Ｘ方向）において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面に垂直な方向（Ｙ方向）において±４．１３ｄｅｇの振幅を持ち、それぞれ振幅の８割を光束偏向に用い、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定されている。
【００８０】
本参考例に従う２次元走査装置の数値実施例として、各光学素子の曲率半径および面間隔を表２に示す。曲率半径および面間隔の単位はｍｍである。また、ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数を示している。
【００８１】
【表２】
【００８２】
本参考例でも、参考例１と同様に、偏向ユニット１６側に負レンズ（６１ａ）が、像面１８側に正メニスカスレンズ（６１ｂ）が配置されている。この配置により、走査光学系６１にテレセントリック性を与え、像面湾曲を低減させることができる。さらに、正メニスカスレンズ（６１ｂ）の凸面を偏向ユニット１６側に向けることで、像面１８上におけるディストーションを補正することができる。
【００８３】
図７には、本参考例（数値実施例）の収差図を示す。図７から、本参考例においても、収差補正が良好に行われていることが分かる。
【００８４】
また、図８には、像高と像面１８への入射角との関係を示す。本参考例においても、走査光学系６１による像面１８への最大の入射角は５ｄｅｇ以下と小さく、走査光学系６１は良好なテレセントリック性を有していることが分かる。そして、走査光学系６１がテレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化を小さくすることができる。
【００８５】
また、負レンズ（６１ａ）の硝材のアッベ数ν１は３１．１、正メニスカスレンズ（６１ｂ）の硝材のアッベ数ν２は３７．２であり、
ν１＜ν２
を満たす。
【００８６】
このアッベ数の関係により、走査光学系６１は、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、色収差を補正する効果を持つことができる。
【００８７】
本参考例において、光源１１からの光として、Ｆ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の横収差図を図９に示す。図９において、（ａ）は像面１８上における画像中心、（ｂ）は像高５０％、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。また、図９において、実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。
【００８８】
この図９から、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、走査光学系６１は良好な色収差補正を行うことが分かる。なお、光源１１からの光が単一の波長を有する光である場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系６１の性能の変化がほとんど生じない効果を持つ。
【００８９】
なお、本参考例でも、
Ｄ１／Ｄ＝０．６０１
Ｄ２／Ｄ＝０．１２０
であり、上述した（Ａ），（Ｂ）の条件式を満足する。
【００９０】
（参考例３）
図１０には、本発明に関する参考例３である２次元走査装置の垂直断面を示している。本参考例では、参考例２と同様に、走査光学系１０１を、負レンズである第１のレンズ１０１ａと正メニスカスレンズである第２のレンズ１０１ｂの２枚で構成し、正メニスカスレンズ（１０１ｂ）の凸面形状の第１面（入射面：表３中の面番号１７の面）に回転対称非球面を導入することで、非点隔差の補正を行っている。回転対称非球面は、以下の式１で表される。
【００９１】
【式１】
【００９２】
また、本参考例では、偏向ユニット１６の偏向ミラーの振幅は、参考例２と同じく、図１０の紙面内方向（Ｘ方向）において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面に垂直な方向（Ｙ方向）において±４．１３ｄｅｇであり、それぞれ振幅の８割を光束偏向に用い、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定されている。
【００９３】
本参考例に従う２次元走査装置の数値実施例として、各光学素子の曲率半径および面間隔等を表３に示す。表３中、面番号１７の部分には、非球面係数も記入している。
【００９４】
【表３】
【００９５】
また、本参考例（数値実施例）の収差図を図１１に示す。走査光学系１０１に回転対称非球面を導入したことで、走査光学系１０１は、全体としてテレセントリック性を有したまま、非点収差および像面湾曲の補正を有効に行うことができる。このため、本参考例は、参考例２に比べて、像面１８への入射角が５．０ｄｅｇ以下というテレセントリック性を維持したまま（図１２）、非点隔差の量が小さくなっている。テレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化が小さい走査光学系となる。
【００９６】
また、負レンズ（１０１ａ）の硝材のアッベ数ν１は３１．１、正メニスカスレンズ（１０１ｂ）の硝材のアッベ数ν２は３７．２であり、
ν１＜ν２を満たす。
【００９７】
このアッベ数の関係により、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、色収差を補正する効果を持つ。本参考例において、光源１１からの光としてＦ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の横収差図を図１３に示す。図１３において、（ａ）は像面１８上における画像中心、（ｂ）は像高５０％、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。また、図１３において実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。
【００９８】
図１３から、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させる場合に、走査光学系１０１は良好な色収差補正を行えることが分かる。なお、光源１１からの光が単一の波長を有する場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系１０１の性能の変化がほとんど生じない効果を持つ。
【００９９】
このように、本参考例では、走査光学系１０１のうち最も偏向ユニット１６側に負の光学パワーを持つレンズ（第１のレンズ１０１ａ）を、最も像面１８側に正の光学パワーを持つレンズ（第２のレンズ１０１ｂ）を配置することで、像面湾曲が補正された、テレセントリック性を持つ走査光学系を構築できる。さらに、正レンズ（１０１ｂ）を、偏向ユニット１６側に凸面を向けた正メニスカスレンズとすることで、ディストーションが補正された走査光学系を構築できる。
【０１００】
なお、以上説明した参考例１〜３では、偏向ユニット１６側の負レンズと、像面１８側の正メニスカスレンズとの間にレンズを配置しないか１枚のレンズを配置して走査光学系を構築したが、負レンズと正メニスカスレンズとの間に入るレンズの枚数はこれに限らず、２枚以上のレンズを挿入してもよい。
【０１０１】
また、参考例１〜３では、収束光束を偏向ユニット１６に導く反射面としてハーフミラー１４を用いているが、反射面としてはこれに限らない。例えば、反射面として、偏光分離作用を持つ偏向ビームスプリッタを配置し、波長板と併せて使用することも可能である。
【０１０２】
なお、本参考例でも、
Ｄ１／Ｄ＝０．６１９
Ｄ２／Ｄ＝０．１１６
であり、上述した（Ａ），（Ｂ）の条件式を満足する。
【０１０３】
（実施形態１）
図１４には、本発明の実施形態１である２次元走査装置の垂直断面を示している。本実施形態は、偏向ユニット１６に光源１１からの光束が斜めに（偏向ミラーの図１４の紙面内方向に延びる偏向軸に対して斜め方向から）入射することで発生する、画像の枠の歪み（ＴＶディストーション）を補正できるものである。
【０１０４】
光源１１からの光束（平行光束）１２は、集束レンズ１３により収束光束に変換され、折り返しミラー１４１により光路を曲げられ、保護ガラス１５を透過した後、偏向ユニット１６に入射する。偏向ユニット１６は、参考例１と同様に、２次元方向に光束を偏向走査可能なＭＥＭＳデバイスを用いたものである。光束１２は偏向ユニット１６により２次元方向に偏向される。偏向された光束は、保護ガラス１５を再び透過した後、走査光学系１４２に入射する。
【０１０５】
走査光学系１４２は、最も偏向ユニット１６側に配置された負レンズである第１のレンズ１４２ａと、最も像面１８側に配置された正メニスカスレンズである第２のレンズ１４２ｃと、これら第１および第２のレンズ１４２ａ，１４２ｃ間に配置された正レンズである第３のレンズ１４２ｂとから構成されている。
【０１０６】
走査光学系１４２を透過した光束１２は、像面１８上に結像する。このため、偏向ユニット１６により２次元方向に偏向された光束の像面１８上でのスポット像が２次元方向に走査され、像面１８上に２次元画像が形成される。
【０１０７】
ここで、本実施形態（およびこれ以降の実施形態）では、走査光学系１４２の負レンズ（第１のレンズ）１４２ａの中心を通る軸、つまりは偏向ユニット１６による光束の２次元方向での偏向範囲の中心軸Ｌｄｃを走査光学系１４２の光軸と定義する。本実施形態では、この走査光学系１４２の光軸（２次元偏向範囲の中心軸）Ｌｄｃと偏向ユニット１６に入射する光束１２の光軸とを含む断面（図１４におけるＸＺ断面であり、以下、偏向ユニット１６への入射断面という）において、第２のレンズ１４２ｃおよび第３のレンズ１４２ｂが走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対してチルトやシフトして配置されている。
【０１０８】
本実施形態に従う数値実施例の各光学素子の曲率半径、面間隔、チルト量およびシフト量を表４に示す。チルト量およびシフト量は、偏向ユニット１６への入射断面での走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対する傾き量および移動量を表している。また、本実施形態において、偏向ユニット１６の偏向ミラーの振幅は、図１４の紙面に垂直な方向において機械角で±５．５ｄｅｇ、紙面内方向において±４．１３ｄｅｇであり、振幅の８割を光束偏向に使用し、振幅の両側に１割ずつのブランクが残るように設定されている。
【０１０９】
【表４】
【０１１０】
本実施形態では、集束レンズ１３によって収束光束に変換された光源１１からの光束１２は、偏向ユニット１６への入射断面において、中立状態（非振動状態）にある偏向ユニット１６の図１４の紙面内方向に延びる偏向軸（光束が紙面に対して垂直な方向に偏向されるときの偏向軸）の法線に対して１２．５ｄｅｇ傾いて偏向ユニット１６に入射する。
【０１１１】
このように、偏向ユニット１６に、その偏向軸に対して斜め方向から光束１２が入射する場合、これを原因として、像面１８上に形成される画像には大きなＴＶディストーションと台形歪みが発生する。
【０１１２】
ここで、本実施形態の比較例として、図１５に示すような光学系を考える。この比較例における走査光学系１５１は、偏向ユニット１６側から順に、負、正、正の光学パワーを持った３枚のレンズ１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃにより構成されている。３枚のレンズ１５１ａ〜１５１ｃは光軸Ｌｄｃに対して互いに偏心（シフト）しておらず、走査光学系１５１を透過して像面１８の画像中心へ向かう光束は、各レンズ１５１ａ〜１５１ｃの中心を透過する。また、図１５においても、偏向ユニット１６に入射する光束１２は、中立状態にある偏向ユニット１６の図１５の紙面内方向に延びる偏向軸の法線に対して１２．５ｄｅｇ傾いている。このため、像面１８上における画像には、大きなＴＶディストーションが発生する。
【０１１３】
図１６には、図１５に示した２次元走査装置におけるＴＶディストーションの形状を示した表示画像（格子）を、また表５にはそのＴＶディストーションの大きさを示す。
【０１１４】
図１６に示すように、本来直線状であるはずの水平の線が大きく湾曲している。その大きさは、上辺にて０．４３％、下辺にて１．７９％である。また、本来長方形であるはずの画像が台形状に変形している。この台形歪みの大きさは、左右ともに１．３２％である（表５）。ここで、ＴＶディストーションおよび台形歪みの大きさは、図１７のように示され、その数値は以下の式２で表される。
【０１１５】
【表５】
【０１１６】
〈式２〉
ＴＶディストーション
上辺； ｆ／Ｂ×１００（％）
下辺； ｅ／Ｂ×１００（％）
台形歪み
左辺； ｇ／２／Ａ×１００（％）
右辺； ｈ／２／Ａ×１００（％）
このように、図１５のような偏心を用いない構成の走査光学系１５１では、光偏向ユニット１６に対して光束が斜め入射した場合に発生するＴＶディストーションを抑えることができず、高品位の２次元画像を得ることができない。
【０１１７】
これに対し、本実施形態では、走査光学系１４２の第３のレンズ（正レンズ）１４２ｂが、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対し、図１４における時計回り方向（マイナス側）に１０．６３ｄｅｇチルトしている。これは、光束１２が偏向ユニット１６に入射する側（図１４の右側）へのチルトであり、偏向ユニット１６に入射する光束とレンズの中心軸が平行に近づく向き（入射光束とレンズの中心軸のなす角が小さくなる向き）へのチルトである。
【０１１８】
さらに、第３のレンズ１４２ｂは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対し、図１４中の右側（マイナス側）に０．２５ｍｍシフトしている。これは、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのシフトであり、偏向ユニット１６への入射光束に近づく側へのシフトである。
【０１１９】
そしてこれは、第３のレンズ１４２ｂが、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃ上で、第１のレンズ（負レンズ）１４２ａの第２面（出射面：表４の１２面）から像面１８側に０．２２ｍｍ移動した点を回転中心として、回転半径１．３２ｍｍで時計回り方向に１０．６３ｄｅｇ回転したのと等価である。
【０１２０】
また、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１４２ｃは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系１４２の光軸Ｌｄｃに対し、光束１２が偏向ユニット１６に入射する側とは反対側、すなわち図１４における左側（プラス側）に０．９９ｍｍシフトしている。これは、偏向ユニット１６に入射する光束１２から離れる側へのシフトである。
【０１２１】
本実施形態の２次元走査装置により形成される画像（格子）を図１８に、その画像のＴＶディストーションの量を表６に示す。図１６と図１８から、本実施形態では像面１８に形成される画像の上辺および下辺の湾曲が小さく、かつ台形の歪みも非常に少なくなっていることがわかる。
また、表６から、ＴＶディストーションの量が上辺で０．４１％、下辺で０．７９％、台形歪みが左右で０．５６％と、図１５に示した光学系のＴＶディストーション（表５）より大きく減少していることがわかる。このように、走査光学系を構成する光学素子に適当なチルトやシフトを与えることで、ＴＶディストーションと台形歪みを良好に補正することができる。
【０１２２】
【表６】
【０１２３】
特に、本実施形態では、第３のレンズ（正レンズ）１４２ｂをチルトさせることで、台形歪みを補正し、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１４２ｃをシフトさせることでＴＶディストーションを補正している。なお、両者は相互に影響を与えるものであり、両者のバランスを取りながら設計する必要がある。また、第２のレンズ（正メニスカスレンズ）１４２ｃの凸面を偏向ユニット１６側に向けることで、第３のレンズ（正レンズ）１４２ｂのチルトにより発生する収差を小さくしている。さらに、第２のレンズ１４２ｃをメニスカスレンズとすることで、第３のレンズ１４２ｂのチルトによる、像面湾曲への影響を小さくしている。
【０１２４】
図１９には、走査光学系１４２から像面１８への光束の入射角と像高との関係を示している。横軸は像高（％）、縦軸は入射角（ｄｅｇ）である。
【０１２５】
図１９から、全画角において、入射角が５ｄｅｇ以下と良好なテレセントリック性を有していることがわかる。このように走査光学系１４２がテレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化を小さくすることができる。
【０１２６】
本実施形態では、走査光学系１４２とは別に、光源１１から偏向ユニット１６への入射系として、集束レンズ１３を持つ。偏向ユニット１６に入射する光束１２を集束レンズ１３によって収束させることで、集束レンズ１３と走査光学系１４２とでパワーを分担できる。これにより、集束レンズ１３が光束１２を結像させる効果と、走査光学系１４２がディストーションと非点隔差を補正する効果とを、集束レンズ１３と走査光学系１４２とがそれぞれ分担することができる。
【０１２７】
本実施形態では、集束レンズ１３と偏向ユニット１６との間の光路上に、折り返しミラー１４１を設けている。この折り返しミラー１４１を挿入することで、光源１１からの光束１２を偏向ユニット１６に導く入射系をコンパクト化することができ、また光源１１の配置に自由度が増す。
【０１２８】
また、本実施形態において、負レンズ（１４２ａ）の硝材のアッベ数ν１は３５．３、正メニスカスレンズ（１４２ｃ）の硝材のアッベ数ν２は５２．６であり、
ν１＜ν２
を満たす。
【０１２９】
このアッベ数の関係により、走査光学系１４２は、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射する場合に、色収差を補正する効果を持つ。本実施形態において、光源１１からの光の波長が、Ｆ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）である場合の横収差図を図２０に示す。
【０１３０】
図２０は、偏向ユニット１６によるｘ方向（水平方向）、ｙ方向（垂直方向）への光束偏向による画像の形成範囲をそれぞれ１としたとき、
（ａ）ｘ：−０．５，ｙ：−０．５
（ｂ）ｘ：−０．２５，ｙ：−０．２５
（ｃ）ｘ：０，ｙ：０
（ｄ）ｘ：０．２５，ｙ：０．２５
（ｅ）ｘ：０．５，ｙ：０．５
の各位置での横収差図を示している。また、図２０において実線はｅ線、一点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。図２０から、光源１１から互いに異なる複数の波長の光を出射させた場合に、走査光学系１４２は良好な色収差補正を行うことが分かる。なお、光源１１からの光が単一の波長を有する場合においては、光源１１の波長変化が生じたときでも、走査光学系１４２はその性能の変化がほとんど生じない効果を持つ。
【０１３１】
（実施形態２）
図２１には、本発明の実施形態２である２次元走査装置の垂直断面を示している。本実施形態は、実施形態１の像面のサイズを大きくしたものに相当する。この場合、偏向ユニット１６の偏向ミラーの振幅は実施形態１と同じとし、該振幅のうち光束偏向に使用する幅を８割から９割にして、両側のブランクを１割から０．５割に変更した。これにより、像面のサイズも実施形態１に比べて１．１１倍に大きくなる。なお、偏向ユニット１６への光束１２の斜め入射角は、１２．５ｄｅｇであり、実施形態１と同じである。また、集束レンズ１３’を、平行光束を収束する無限共役のレンズから、点光源１１’からの発散光束を、収束光束に変換する有限共役のレンズに変更している。
【０１３２】
本実施形態に従う数値実施例の各光学素子の曲率半径、面間隔、チルト量およびシフト量を表７に示す。チルト量およびシフト量は、偏向ユニット１６への入射断面での走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対する傾き量および移動量を表している。
【０１３３】
【表７】
【０１３４】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して、走査光学系２１１の第３のレンズ（正レンズ）２１１ｂをチルトさせるとともにシフトさせ、さらに第２のレンズ（正メニスカスレンズ）２１１ｃをシフトさせることで、像面１８上に形成される画像のＴＶディストーションおよび台形歪みを補正している。
【０１３５】
本実施形態では、第３のレンズ２１１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面（ＸＺ断面）において、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して図２１での時計回り方向（マイナス側）に１５．４１ｄｅｇチルトしている。これは、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６へ入射する側へのチルトであり、偏向ユニット１６に入射する光束とレンズの中心軸が平行に近づく向き（入射光束とレンズの中心軸のなす角が小さくなる向き）へのチルトである。
【０１３６】
さらに、第３のレンズ２１１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対し、図２１での右側（マイナス側）に０．７２ｍｍシフトしている。これは、光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのシフトであり、偏向ユニット１６への入射光束１２に近づく側へのシフトである。
【０１３７】
そしてこれは、第３のレンズ２１１ｂが、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃ上で、第１のレンズ（負レンズ）２１１ａの第１面（入射面：表７の１１面）から０．５０ｍｍ偏向ユニット１６側に移動した点を回転中心として、回転半径２．６０ｍｍで時計回り方向に１５．４１ｄｅｇ回転したのと等価である。
【０１３８】
また、第２のレンズ２１１ｃは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対し、図２１での左側（プラス側）に０．８３ｍｍシフトしている。これは、走査光学系２１１の光軸Ｌｄｃに対して偏向ユニット１６に光束１２が入射する側とは反対側、すなわち偏向ユニット１６に入射する光束１２から離れる側へのシフトである。
【０１３９】
図２２には本実施形態の２次元走査装置による走査画像（格子）を、表８には該走査画像のＴＶディストーションと台形歪みの量を示す。
【０１４０】
【表８】
【０１４１】
偏向ユニット１６で光束偏向に使用する振幅が大きくなると、発生するＴＶディストーションや台形歪みの量も大きくなる。しかし、表８から、本実施形態で発生するＴＶディストーションは、上辺で０．３９％、下辺で０．７０％、台形歪みは左右ともに０．５７％といずれも小さく、ＴＶディストーションと台形歪みが良好に補正されていることがわかる。
【０１４２】
このように、偏向ユニット１６による光束の偏向範囲（偏向角）が大きくなっても、第３のレンズ２１１ｂをチルトおよびシフトさせ、第２のレンズ２１１ｃをシフトさせることで、ＴＶディストーションおよび台形歪みを良好に補正することができる。
【０１４３】
また、図２３には、走査光学系２１１から像面１８への光束入射角と、像面１８上の画像における位置との関係を示す。横軸は像高（％）、縦軸は像面１８への入射角である。図２３から、本実施形態の走査光学系２１１についても、像面１８への入射角が５ｄｅｇ以下と良好なテレセントリック性を有していることがわかる。走査光学系２１１がテレセントリック性を有することで、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化が小さくなる。
【０１４４】
（実施形態３）
図２４には、本発明の実施形態３である２次元走査装置の垂直断面を示している。本実施形態は、実施形態２の走査光学系に回転対称非球面を導入したものに相当する。偏向ユニット１６の振幅とその光束偏向への使用幅、さらに偏向ユニット１６への光束１２の斜め入射角などは、実施形態２と同じである。
【０１４５】
本実施形態に従う数値実施例の各光学素子の曲率半径、面間隔、チルト量およびシフト量を表９に示す。チルト量およびシフト量は、偏向ユニット１６への入射断面での走査光学系の光軸Ｌｄｃに対する傾き量および移動量を表している。また、回転対称非球面である第３のレンズ（正レンズ）２４１ｂの像面１８側の面（出射面：表９中の面番号１４面）および第２のレンズ（正メニスカスレンズ）２４１ｃの偏向ユニット１６側の面（入射面：表９中の面番号１５面）については、非球面係数も合わせて示している。なお、回転対称非球面は、参考例３に説明した式１で表される。
【０１４６】
【表９】
【０１４７】
本実施形態（数値実施例）では、第３のレンズ２４１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面（ＸＺ断面）において、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対し、図２４中の時計回り方向（マイナス側）に１３．０９ｄｅｇチルトしている。これは、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのチルトであり、偏向ユニット１６に入射する光束とレンズの中心軸が平行に近づく向き（入射光束とレンズの中心軸のなす角が小さくなる向き）へのチルトである。
【０１４８】
さらに、第３のレンズ２４１ｂは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対し、図２４中の右側（マイナス側）に０．５９ｍｍシフトしている。これは、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側へのシフトであり、偏向ユニット１６への入射光束１２に近づく側へのシフトである。
【０１４９】
そしてこれは、第３のレンズ２４１ｂが、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃ上で、第１のレンズ（負レンズ）２４１ａの第１面（入射面：表９中の面番号１１面）から０．４９ｍｍ、偏向ユニット１６側に移動した点を回転中心として、回転半径２．５４ｍｍで時計回り方向に１３．０９ｄｅｇ回転したのと等価である。
【０１５０】
また、第２のレンズ２４１ｃは、偏向ユニット１６への入射断面において、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して、図２４の左側（プラス側）に０．７２ｍｍシフトしている。これは、走査光学系２４１の光軸Ｌｄｃに対して光束１２が偏向ユニット１６に入射する側とは反対側へのシフトであり、偏向ユニット１６に入射する光束１２から離れる側へのシフトである。
【０１５１】
図２５には本実施形態の網膜走査型表示装置による走査画像（格子）を、表１０には該走査画像のＴＶディストーションと台形歪みの量を示す。
【０１５２】
【表１０】
【０１５３】
表１０から、本実施形態で発生するＴＶディストーションは、上辺で０．４５％、下辺で０．５５％、台形歪みは左右ともに０．５５％といずれも小さく、ＴＶディストーションと台形歪みが良好に補正されていることがわかる。
【０１５４】
本実施形態では、走査光学系２４１に回転対称非球面を導入することで、正レンズである第３のレンズ２４１ｂをチルトおよびシフトさせた効果と、正メニスカスレンズである第２のレンズ２４１ｃをシフトさせたことによるＴＶディストーションおよび台形歪みを補正する効果とを保持したまま、収差に与える影響を軽減することができる。このため、ＴＶディストーションと台形歪みへの補正効果を振り分けることができる。
【０１５５】
また、図２６には、走査光学系２４１から像面１８への光束の入射角と像面１８上の位置との関係を示す。横軸は画像対角方向の相対位置（％）、縦軸は像面への入射角である。
【０１５６】
図２６から、本実施形態においても、走査光学系２４１は、像面１８への光束入射角が５ｄｅｇ以下という良好なテレセントリック性を有していることがわかる。このテレセントリック性を有することで、走査光学系２４１は、デフォーカスによる像面１８上での走査スポットの移動特性の変化および像面サイズの変化が小さいものとなる。
【０１５７】
なお、実施形態１〜３では、偏向ユニットへの入射方向をすべて主走査方向の偏向軸を含む断面から入射させているが、副走査方向の偏向軸を含む断面から入射させてもかまわない。
【０１５８】
（実施形態４）
図２７には、本発明の実施形態４である網膜走査型表示装置の垂直断面を示している。この網膜走査型表示装置は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラといった撮像装置や各種観察機器等の光学機器３００に搭載され、電子ファィンダを構成するものである。
【０１５９】
本実施形態の網膜走査型表示装置は、実施形態３に示した２次元走査装置２７１の像面１８の後方に、接眼光学系２７２を配置したものであり、偏向ユニット１６で光束を２次元方向に偏向走査することで、観察者の網膜上に直接画像を形成（描画）する。
【０１６０】
２次元走査装置２７１は実施形態３と同じものであるため、ここでは、２次元走査装置２７１による１次結像面２７３（実施形態３の像面１８に相当する）よりも後方の接眼光学系２７２とその光学作用についてのみ説明する。
【０１６１】
一次結像面２７３において結像した光束１２は、拡散光束となり、接眼光学系２７２に入射する。接眼光学系２７２を構成する各光学素子の曲率半径および面間隔等を表１１に示す。接眼光学系２７２は、すべて光軸が一致する第１〜第６の球面レンズ（但し、第１および第２球面レンズと第５および第６球面レンズはそれぞれ貼り合わせレンズ）２７２ａ〜２７２ｄにより構成されている。
【０１６２】
【表１１】
【０１６３】
本実施形態において、接眼光学系２７２により光束１２は略平行光束に変換され、観察者の眼（瞳）２７４に入射する。観察者の瞳２７４に入射した光束１２は、眼の水晶体の作用によって網膜２７５上に結像し、スポット像２７６を結ぶ。このため、偏向ユニット１６によって光束１２が２次元方向に偏向されることにより、スポット像２７６は観察者の網膜２７５上で２次元方向に走査される。これにより、観察者の網膜２７５で走査されるスポット像２７６の残像効果によって２次元画像が観察者に認識される。
【０１６４】
本実施形態において、網膜２７５上に形成される画像（格子）を図２８に、そのＴＶディストーションおよび台形歪みの量を表１２に示す。
【０１６５】
【表１２】
【０１６６】
表１２から、本実施形態で発生するＴＶディストーションは、上辺で０．３３％、下辺で０．５８％、台形歪みは左右ともに０．５８％といずれも小さく、ＴＶディストーションと台形歪みが良好に補正されていることがわかる。
【０１６７】
本実施形態では、２次元走査装置２７１により１次結像面２７３上に形成された空中像を接眼光学系２７２により拡大するのと等価となる。よって、１次結像面２７３上の空中像のＴＶディストーションおよび台形歪みが補正されているため、網膜２７５上に形成される画像のＴＶディストーションおよび台形歪みも小さくなる。
【０１６８】
また、本実施形態において、２次元走査装置２７１は略テレセントリック光学系となっている。このため、接眼光学系２７２を１次結像面２７３に対して垂直な方向（走査光学系２４１の光軸に平行な方向）に移動させることで、容易に視度調整を行うことが可能である。
【０１６９】
また、本実施形態では、光源からの光の波長を特に指定していないが、光源として赤、緑、青の波長を持つ複数の発光部を用いることで、フルカラーの網膜走査型表示装置を構成することも可能である。
【０１７０】
なお、上記実施形態１〜４では、すべて回転対称の球面および非球面のレンズを用いた場合について説明したが、回転非対称非球面のレンズを用いても同等の効果を得ることが可能である。
（参考例４）
図２９には、本発明に関する参考例４である網膜走査型表示装置の垂直断面を示している。この網膜走査型表示光学系は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラといった撮像装置や各種観察機器等の光学機器４００に搭載され、電子ファィンダを構成するものである。
【０１７１】
本参考例の網膜走査型表示装置は、参考例１に示した２次元走査装置２９１の像面１８の後方に、接眼光学系２９２を配置したものであり、偏向ユニット１６で光束を２次元方向に偏向走査することで、観察者の網膜上に直接画像を形成（描画）する。
【０１７２】
２次元走査装置２９１は参考例１と同じものであるため、ここでは、２次元走査装置２９１による１次結像面２９３（参考例１の像面１８に相当する）よりも後方の接眼光学系２９２とその光学作用についてのみ説明する。
【０１７３】
一次結像面２９３において結像した光束１２は、拡散光束となり、接眼光学系２９２に入射する。接眼光学系２９２を構成する各光学素子の曲率半径および面間隔等を表１３に示す。接眼光学系２９２は、すべて光軸が一致する第１〜第６の球面レンズ（但し、第１および第２球面レンズと第５および第６球面レンズはそれぞれ貼り合わせレンズ）２９２ａ〜２９２ｄにより構成されている。
【０１７４】
【表１３】
【０１７５】
本参考例において、接眼光学系２９２により光束１２は略平行光束に変換され、観察者の眼（瞳）２９４に入射する。観察者の瞳２９４に入射した光束１２は、眼の水晶体の作用によって網膜２９５上に結像し、スポット像２９６を結ぶ。このため、偏向ユニット１６によって光束１２が２次元方向に偏向されることにより、スポット像２９６は観察者の網膜２９５上で２次元方向に走査される。これにより、観察者の網膜２９５で走査されるスポット像２９６の残像効果によって２次元画像が観察者に認識される。
【０１７６】
本参考例における網膜２９５上での光学系の収差図を図３０に示す。図３０において、収差図の導出の際には、観察者の瞳２９４の位置に焦点距離２２ｍｍの理想レンズを配置し、網膜２９５上に結像させた収差をプロットしている。また、図３０の横軸は瞳径を表しており、本参考例では瞳径Ｄｅ＝１．５ｍｍ（−０．７５ｍｍ＜ｘ＜０．７５ｍｍ）とする。
【０１７７】
図３０から、本参考例の網膜走査型表示装置は、非点収差が小さく、かつディストーションの小さい高品位な画像を提供できることがわかる。
【０１７８】
また、本参考例の光学系に、光源１１からの光としてＦ’線（波長４７９．９９ｎｍ）、ｅ線（波長５４６．０７ｎｍ）、Ｃ’線（６４３．８５ｎｍ）を与えた場合の横収差図を図３１に示す。
【０１７９】
図３１において、収差図の導出の際には、観察者の瞳２９４の位置に焦点距離２２ｍｍの理想レンズを配置し、網膜上に結像させた収差をプロットしている。図３１で、実線はｅ線、１点鎖線はＣ’線、破線はＦ’線を示している。また、図３１において、（ａ）は網膜２９５上における画像中心での、（ｂ）は像高５０％での、（ｃ）は像高１００％での横収差図である。各像高において、色収差の補正が良好に行われていることがわかる。
【０１８０】
また、本参考例において、２次元走査装置２９１は略テレセントリック光学系となっている。このため、接眼光学系２９２を１次結像面２９３に対して垂直な方向（走査光学系１７の光軸に平行な方向）に移動させることで、容易に視度調整を行うことが可能である。
【０１８１】
また、本参考例では、光源からの光の波長を特に指定していないが、光源として赤、緑、青の波長を持つ複数の発光部を用いることで、フルカラーの網膜走査型表示装置を構成することも可能である。複数の光源を用いる場合、赤、緑、青の光源からの光束を、ダイクロイックプリズムなどの色を合成する手段で合成し、赤・緑・青それぞれの光源ごとに変調を行うことで、カラー画像を表現する。その他、青、緑、赤の３色の光を順次（フィールドシーケンシャルに）、偏向ユニットに向けることによっても、カラー画像の表現は可能である。
【０１８２】
これ以外にも、白色の光源と青、緑、赤の３色のフィルタを回転可能なターレット上に配置したものとを組み合わせて、青、緑、赤の３色の光を順次、偏向ユニットに向けることができる。
【０１８３】
なお、このように光源から青、緑、赤の３色の光を偏向ユニットへ向けつつ偏向ユニットと走査光学系を使ってカラーの２次元画像を形成する際の、光源や偏向ユニットの制御方法についての説明は省略する。
【０１８４】
なお、上記実施形態１〜４では、偏向ユニットとして１つの偏向ミラーで２次元方向へ光束の偏向が可能な、共振運動を利用したものを用いた場合について説明したが、１次元方向に光束を偏向可能な偏向器を２つ組み合わせる方法や、共振を用いたものではなく、等角速度運動するガルバノミラーのような偏向器を用いることも可能である。
【０１８５】
さらに、上記実施形態１〜４では、走査光学系にガラスレンズを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、射出成型により成形されたプラスチックレンズを用いることにより、製造が容易になり、コストダウンが図れる。
【０１８６】
また、前述した特開平８−１４６３２０号公報に提案されているように、電気的にＴＶディストーションを補正する技術もあるが、この種の電気的な補正と本発明における走査光学系による光学的な補正とを組み合わせて画像の歪みを補正する構成を採ることも可能である。
【０１８７】
電気的に補正する場合、偏向ユニットを制御する駆動回路（不図示）により２次元走査の際の反射面の傾斜角度を、光学的補正後の残存ディストーションを補正するように制御する。
【０１８８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源からの光束が偏向手段に対していわゆる斜め入射する場合に、走査光学系を構成する第３の光学素子を光源からの光束が偏向手段に入射する側にチルト及びシフトさせ、第２の光学素子を光源からの光束が偏向手段に入射する側とは反対側にシフトさせることにより、光束の２次元走査によって形成される画像に発生するＴＶディストーションおよび台形歪みを含むディストーションを光学的に良好に補正することができる。このため、高品位の画像観察が可能な走査型表示光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する参考例１である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図２】上記２次元走査装置に用いられる偏向ユニット（ＭＥＭＳデバイス）の概略図である。
【図３】参考例１における走査光学系の収差図である。
【図４】参考例１における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図５】参考例１における走査光学系の横収差図である。
【図６】本発明に関する参考例２である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図７】参考例２における走査光学系の収差図である。
【図８】参考例２における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図９】参考例２における走査光学系の横収差図である。
【図１０】本発明に関する参考例３である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図１１】参考例３における走査光学系の収差図である。
【図１２】参考例３における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図１３】参考例３における走査光学系の横収差図である。
【図１４】本発明の実施形態１である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図１５】実施形態１の比較例の光学系の垂直断面図である。
【図１６】上記比較例の光学系による表示画像（格子）を示す図である。
【図１７】ＴＶディストーションの算出方法の説明図である。
【図１８】実施形態１による表示画像（格子）を示す図である。
【図１９】実施形態１における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図２０】実施形態１における走査光学系の横収差図である。
【図２１】本発明の実施形態２である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図２２】実施形態２による表示画像（格子）を示す図である。
【図２３】実施形態２における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図２４】本発明の実施形態３である２次元走査装置の垂直断面図である。
【図２５】実施形態３による表示画像（格子）を示す図である。
【図２６】実施形態３における走査光学系の像面への入射角特性を示す図である。
【図２７】本発明の実施形態４である網膜走査型表示装置の垂直断面図である。
【図２８】実施形態４による表示画像（格子）を示す図である。
【図２９】本発明に関する参考例４である網膜走査型表示装置の垂直断面図である。
【図３０】参考例４における光学系の収差図である。
【図３１】参考例４における光学系の横収差図である。
【符号の説明】
１１ 光源
１２ 光束
１３ 集束レンズ
１４ ハーフミラー
１５ 保護ガラス
１６ 偏向ユニット
１７，６１，１０１，１４２，１５１，２１１，２４１ 走査光学系
１８ 像面
２１ 偏向ミラー
１４１ 折り返しミラー
２７１，２９１ ２次元走査装置
２７２，２９２ 接眼光学系
２７３，２９３ １次結像面
２７４，２９４ 眼（瞳）
２７５，２９５ 網膜
Claims (9)
- 光源からの光束を２次元方向に偏向する偏向手段と、
前記偏向手段により偏向された光束を結像させる走査光学系とを有し、
前記偏向手段への前記光源からの光束の入射方向が、前記偏向手段における２方向の偏向軸のうち少なくとも一方に対して斜め方向であり、
前記走査光学系は、最も前記偏向手段側に配置された負の光学パワーを有する第１の光学素子と、像面側に配置された正の光学パワーを有する第２の光学素子と、前記第１及び第２の光学素子の間に配置された正の光学パワーを有する第３の光学素子とを含み、
前記第３の光学素子は、前記偏向手段による光束の２次元偏向範囲の中心軸に対して、前記光源からの光束が前記偏向手段に入射する側にチルトおよびシフトし、
前記第２の光学素子は、前記中心軸に対して、前記光源からの光束が前記偏向手段に入射する側とは反対側にシフトしていることを特徴とする走査型表示光学系。 - 前記第２の光学素子は、前記偏向手段側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、
前記第３の光学素子は、像面側に凸面を向けたレンズであることを特徴とする請求項１に記載の走査型表示光学系。 - 前記走査光学系の像面への光束の入射角度が５度以内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型表示光学系。
- 前記光源と前記偏向手段との間に、前記光源からの光束を前記偏向手段に、偏向軸に対して斜め方向から入射させるよう導く反射面が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の走査型表示光学系。
- 前記光源と前記走査光学系との間に、前記光源からの光束を収束光束に変換する集束光学素子が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の走査型表示光学系。
- 前記集束光学素子と前記偏向手段の間に、前記光源からの光束を前記偏向手段に、偏向軸に対して斜め方向から入射させるよう導く反射面が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の走査型表示光学系。
- 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の走査型表示光学系。
ν１＜ν２
但し、ν１は前記第１の光学素子のアッベ数、ν２は前記第２の光学素子のアッベ数である。 - 前記走査光学系により結像された偏向光束を観察者の眼に導く接眼光学系を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載に走査型表示光学系。
- 光源と、
請求項１から８のいずれか１つに記載の走査型表示光学系とを有することを特徴とする走査型表示装置。
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