JP4139866B2 - 光走査装置および表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄型で小型化が可能な光走査装置および表示装置に関するもので、液晶プロジェクタやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタ等の投影装置、車載ナビゲータ、テレビ、各種表示装置などに適用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームのような点光源を用い、回転多面鏡などの光偏向手段で１ラインずつ光走査を行うことによって画像を表示する方法は良く知られている。「松居：光学、１０、Ｎｏ．５」、（１９８１）３０６ページには、ビーム走査光学系の２形態として、ポスト・オブジェクティブ型と、プレ・オブジェクティブ型が示されている。図４はこれら２形態のビーム走査光学系の例を示すもので、（ａ）はポスト・オブジェクティブ型、（ｂ）はプレ・オブジェクティブ型を示している。いずれも光偏向器７１の偏向反射面が紙面に対して直交する方向に配置されるとともに、紙面に平行な面内で回転ないしは揺動可能となっていて、像面７２上において走査線が紙面と平行な方向に描かれるようになっている。
【０００３】
図４（ａ）に示すポスト・オブジェクティブ型は、光偏向器７１が結像光学系７０の後側に配置されている。図４（ｂ）に示すプレ・オブジェクティブ型は、光偏向器７１が結像光学系７０の前側に配置されている。
ポスト・オブジェクティブ型は、図４（ａ）から分かるように像面湾曲が発生しており、リニアリティすなわち等速性も補正しきれていない。結像光学系７０は１本のビームを収束する機能だけでよいため、小型の結像光学系に構成することができる。そこで、像面７２のビームスポット径が大きくてもよい仕様の場合には、像面湾曲を無視してポスト・オブジェクティブ型を用いている。
【０００４】
図４（ｂ）に示すプレ・オブジェクティブ型は、像面湾曲を低減し被走査面を平面にすることができるのに加え、周辺像高で走査速度が早くなる欠点を結像光学系７０で補正することができることから、等速性を実現できる利点があるが、レンズなどの光学素子からなる結像光学系７０は、光走査のため分離した光束中に配置されるので、大型化するという難点がある。
【０００５】
近年、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ社から１次元の光変調素子として画素を１次元的に配列したグレーティングライトバルブ（以下「ＧＬＶ」という）が発表された。そして、ＧＬＶを物体とし、その像を画素配列方向に対し直交する方向に偏向走査して投影像を得る投影装置が公開された。この投影装置はポスト・オブジェクティブ型の光学配置になっており、レーザビーム走査と同様に、像面湾曲を補正することができないという難点がある。また、ポスト・オブジェクティブ型は結像レンズ系が小型になる利点があるものの、線状の物体であるＧＬＶを結像するので、ＧＬＶを構成する画素の配列方向に大きく、扁平な形状になる。
【０００６】
ＧＬＶを用いたプレ・オブジェクティブ型光走査装置および投影装置の光学配置例として、特開２００１−２０１７１０公報に記載されているものが知られている。これは、光変調素子としてのＧＬＶと、このＧＬＶを照明する照明光学系と、ＧＬＶからの光を走査する走査光学系とを有していて、上記走査光学系はガルバノミラーを有し、このガルバノミラーは、光透過領域付きであるとともに、ＧＬＶからの光のうち所定方向へ伝播する光束を選択してこの光束を複数の方向に順次偏向するように構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載のものによれば、走査結像光学系に要求される仕様の制約条件が多く、レンズの構成枚数が多数になり、また、各レンズの必要な大きさも大になるという難点がある。
また、エリア型の光変調素子であるＤＭＤを用いたプロジェクタの発売が始まっているが、エリア型の光変調素子は低コスト化するのに制約が多く、光学系やシステムの小型化にも限界がある。
【０００８】
さらに、３色のレーザビームを独立に変調し、２次元的に走査することで画面表示を行う方式が、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ社から発表され、発売された。この方式によれば、高い出力でかつ３色のレーザ光源が必要であるため大型になり、画素周波数が極めて高周波数になって扱いにくいという難点がある。
【０００９】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、薄型で小型化が可能な光走査装置および表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光走査装置および表示装置は、１次元状に配置された光変調素子を有する光変調手段と、光変調素子を物体とし光変調素子からの光束を物体光として伝達し像面上に１次元状に結像する結像光学系と、結像光学系から射出する光束を光変調素子の配置方向に対して直交する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の進路に配置されている走査光学系とを有していることを特徴とする。
【００１１】
偏向手段の前に配置されている結像光学系では光束が偏向による分離をうけていないので、結像光学系を構成するレンズなどの光学素子の有効形状は小さくてもよく、複数の光学素子で構成しても結像光学系の大型化を避けることができる。また、光学素子数を制限することなくある程度の数を許容することで、結像光学系で補正可能な収差を極力補正し、高い性能に結びつけることが可能になる。
【００１２】
一方、走査光学系は偏向した光束をすべて受ける必要があって、走査光学系を構成するレンズなどの光学素子の有効形状が大きくなるため、光学素子数を多くすることは不利である。また、偏向手段で発生する像面湾曲の補正などを行うためには、走査光学系を構成する光学素子数をできるだけ限定するのが望ましい。その点、上記本発明にかかる光走査装置および表示装置の構成は、結像光学系を構成する光学素子の数を増やして高性能化を図り、走査光学系の構成は簡単にして小型化を図ることができ、所期の作用効果を得るのに有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる光走査装置および表示装置の実施形態について説明する。
図１に、１次元状に配置された光変調素子を使った光走査装置の実施形態を示す。図１において、符号１０は１次元の光変調手段、２０は結像光学系、３０は絞り、４０は偏向手段、５０は走査光学系、６０は像面をそれぞれ示しており、これらの光学素子が光束の進路に沿って上記の順番に配置されている。光変調手段１０は自己発光型の例で、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）それぞれの色の光を発する光変調素子が１次元状に配列されたもので、ＲＧＢの３ラインの光変調素子が適宜の間隔で平行に配列してある。各光変調素子の発光の指向方向は配列方向に対し直角になるように配置されている。
【００１４】
結像光学系２０は、光変調手段１０側に配置されて正のパワーを持つレンズ２１と、偏向手段４０側に配置されたレンズ２２からなる。レンズ２１は、物体側すなわち光変調手段１０側が、結像光学系２０全系でほぼテレセントリックになるように構成する役割をもっている。レンズ２１とレンズ２２は協働して、光変調手段１０を構成する各光変調素子を物体としたときの像を像面６０上に結ぶように構成されている。結像光学系２０は、
θｖ：結像光学系２０に入射する光線の角度
ｆｖ：結像光学系２０の光変調素子配列方向の焦点距離
Ｈｖ：結像光学系２０の光変調素子配列方向の像高
であるとき、
Ｈｖ∝ｆｖ＊ｔａｎ（θｖ）
の関係をほぼ満たしている。これによって、光変調素子の配列方向に歪みの少ない結像関係を得ることができ、結像光学系２０は光変調素子配列方向の像面湾曲、各像高の波面収差、色収差などを補正することになる。
【００１５】
結像光学系２０の後に絞り３０が配置されてビハインド絞りになっている。絞り３０の位置で有効光束が最も収束するように結像光学系２０が設計されている。したがって、絞り３０に近接して偏向手段４０を配置することで、偏向手段４０の偏向反射面の面積を小さく設定することができる。この実施形態では、偏向手段４０として回転多面鏡（ポリゴンミラー）を用いている。偏向手段４０による偏向光束の進路上に走査光学系５０が配置されている。偏向手段４０に近接させて走査光学系５０を配置することは、走査光学系５０の寸法を小さくすることができるという点では有利であるが、像面湾曲等の補正が困難になりがちである。したがって、偏向手段４０と走査光学系５０との間隔は、小型化の要求と像面湾曲等の収差補正の要求とを勘案しながら適宜決めることになる。光変調手段１０におけるＲ、Ｇ、Ｂの３ラインの像は像面６０上に所定のライン間隔で結像され、この間隔をほぼ保って走査される。
【００１６】
図２は、光変調素子に非自己発光型の１次元光変調素子である両端固定反射膜型ライトバルブ（Ｂｏｔｈ−ｅｎｄ ｆｉｘｅｔ Ｂｅａｍ Ｌｉｇｈｔ Ｂａｌｖｅ：以下「ＢＢＬＶ」という）を用いた表示装置の実施形態を示す。図２において、符号１０はＢＢＬＶからなる光変調手段、１１は線状光源、１２は円筒状の反射鏡、１３はシリンドリカルレンズをそれぞれ示している。光変調手段１０は非自己発光型光変調手段で、１次元の反射型光変調素子であるＢＢＬＶからなる。
【００１７】
ここで、ＢＢＬＶについて図３を参照しながら概略的に説明しておく。図３において、単結晶シリコン材などからなる基盤４にはＶ字状の凹部２５が形成されていて、この凹部２５の表面を覆って基板電極２６が形成されている。上記凹部２５を基板電極２６の上から跨いで両持ち梁２７が掛け渡されるとともに、両持ち梁２７の両端部が基板電極２６上に固定されている。ただし、基板電極２６の表面は適宜の保護膜で保護されている。両持ち梁２７は単結晶シリコンなどの薄膜で形成されている。両持ち梁２７の上面には入射光を正反射する光反射膜２８が形成されている。基板電極２６と両持ち梁２７の端部に形成された電極との間に電圧を印加することができるようになっていて、上記基板電極２６、両持ち梁２７、両持ち梁２７の端部の電極によって静電アクチュエータ２９が構成されている。
【００１８】
図３（ｂ）は、静電アクチュエータ２９に電圧が印加されない状態を示しており、両持ち梁２７および光反射膜２８は平面を保っている。図３（ｂ）に示すように、光反射膜２８に向かって照明光束が入射され、上記のように光反射膜２８は平面を保っている状態における光反射膜２８による上記照明光束の反射光路上に前記レンズ２１が配置されている。したがって、図３（ｂ）に示す状態では、レンズ２１の後ろ側の観察面では明るく、光がオンされたことになる。
【００１９】
上記静電アクチュエータ２９に電圧が印加されると、図３（ｃ）に示すように、基板電極２６と両持ち梁２７との間に静電力が発生し、両持ち梁２７が基板電極２６に吸着される。そのため、入射した照明光束の光反射膜２８による反射方向は、レンズ２１への入射光路から外れ、レンズ２１の後ろ側の観察面では暗く、光がオフされたことになる。
【００２０】
図３に示すＢＢＬＶは１画素分である。ＢＢＬＶは、例えば、１素子の反射形状が２０μｍ×２０μｍ、素子のピッチは２１μｍで１２００個の素子が１次元状に配置されており、光変調素子の長さは約２５．２ｍｍ、カラーフィルタ部材が接合手法で作成され一体化されている。１次元状に配列された、ＲＧＢの３色の光変調手段が幅約５０μｍで平行に配置されている。
【００２１】
線状光源１１はハロゲン電球等の線状光源でＢＢＬＶの素子配列方向長さよりやや長い発光長を有している。反射鏡１２の断面形状は、円や楕円、放物線、高次項を含む非球面など、適宜の形状を選択して適用すればよい。反射鏡１２はシリンドリカルレンズ１３と協働してＢＢＬＶの素子配列面上に線状の集光光束をつくる。３ラインのＢＢＬＶの被照明幅は例えば０．１２ｍｍ程度であるが、実際にはより広い幅に集光され、部品の加工公差や配置の位置誤差などに振り分けられる。
【００２２】
図示されていないが、ＢＢＬＶで構成される光変調手段１０からの反射光路上には結像光学系、偏向手段が配置されている。結像光学系は、例えば投影距離が２０００ｍｍで、９００ｍｍの結像長さが得られるように設定される。結像光学系は、光変調手段１０の光変調素子配列方向を短辺としているので、投影倍率はｍ＝−３５．７となり、焦点距離：ｆ＝５４．５ｍｍの結像光学系が上記の条件で最適化されている。表示画面の中心の縦線を基準に偏向器の偏向反射面は−８．５°〜＋８．５°回転することで、反射光は−１７°〜＋１７°偏向されて、例えば１２００ｍｍの範囲で走査され、１６００個の表示画素が表示される。表示距離が１２００ｍｍのとき７２０ｍｍ×５４０ｍｍの表示サイズであり、表示距離が６５００ｍｍのとき４０００ｍｍ×３０００ｍｍの表示サイズであるよう設定されるが、この間、結像光学系は絞りと一体で光軸方向に移動されピントが合致するように構成されている。上記結像光学系の移動量は、表示距離が１２００ｍｍのとき、ポリゴンミラーなどからなる偏向手段の方に１．０２ｍｍ程度、表示距離が６５００ｍｍのとき光変調手段１０方向に１．０７ｍｍ程度となる。
【００２３】
偏向手段の偏向反射面１面あたりの有効走査期間率が５０％、フレーム周波数が６０Ｈｚのとき、１画素の表示時間は５００ｎＳｅｃであり、例えば５ｎＳｅｃ単位でオン信号の長さを選択することで中間調の表示ができる。図示の例では１００階調が表示可能で、３色では１００万色の表示が可能である。
【００２４】
図２にはＢＢＬＶの駆動回路が記載されている。画像信号発生部１５で、表示しようとする画像信号を発生する。この画像信号は動画信号であってもよいし、スチル画像信号であってもよく、また、メモリに記録されている信号であってもよいし、カメラの再生信号であってもよい。上記画像信号は信号処理部１６において表示に適した信号となるように処理され、駆動信号発生部１７が上記処理信号に応じた駆動信号を発生して光変調手段１０を駆動するようになっている。
【００２５】
図２に示す実施形態は、光変調手段１０が１次元状に配置された非自己発光型の光変調素子であるＢＢＬＶからなり、この光変調手段１０を照明する照明光学系を有している。光変調手段１０を構成する光変調素子は、選択された信号に対応する照明光だけを正反射して、結像光学系へ選択的に伝達するように設定されている。換言すれば、反射タイプのＢＢＬＶからなる非自己発光型光変調素子１０は、正反射光が選択された信号に対応するように設定されている。これによって、光走査装置を構成するのに有効である。また、線状光源１１、円筒状の反射鏡１２、シリンドリカルレンズ１３等を使用して光変調手段１０上に効率的に集光することができ、明るい走査像を得るのに有効である。
【００２６】
上記実施形態における光源１１を適宜選択することで、色温度や明るさの仕様を変更できる。光源部と光変調素子の間に赤外カット等の各種フィルタを挿入することにより、光変調素子以後の温度上昇を抑制するようにするとよい。
【００２７】
ＢＢＬＶは、前述のとおり、数１０μｍのＶ字型ベース上に梁を渡した構造の素子であって、電圧がオフのとき両持ち梁は平面であって光は正反射され、電圧がオンのとき上記両持ち梁はＶ字型ベースに当接するため反射光の方向が変化し、光のオンとオフの変調を可能にする素子である。ＢＢＬＶを、選択された信号に対応する光だけを結像光学系へ選択的に伝達するように設定することで、スイッチング周波数が高い、したがって、後述する中間調の再現に優れた微細な形に形成することが可能なデバイスで、光走査装置全体を小型にすることができる。さらに、矩形ミラーであって先鋭な像を作成することができるなどＢＢＬＶの特徴を活かした光走査装置および表示装置を提供すことができる。また正反射光が選択された信号に対応するように設定することで、結像に必要な光を効果的に導くことができる。
【００２８】
図１に示す実施形態のように、光変調手段は自己発光型の光変調素子とすることが可能である。光変調手段を自己発光型の光変調素子で構成すれば、照明光学系が不要で小型化が可能になる。自己発光型の光変調素子として、１次元に配列されたＬＣＤ、ＬＥＤアレイ、ＬＤアレイ、ＥＬアレイなどを用いることができる。これらの素子は固有の特徴を有しているので、低コスト、微細配列による小型化、明るい光走査装置、などのコンセプトに応じて、これを実現可能な素子を選択するとよい。
【００２９】
光変調素子の１次元に配列された方向の結像に関しては、結像光学系は以下の関係にあることが望ましい。
θｖ：結像光学系に入射する光線の角度
ｆｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の焦点距離
Ｈｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の像高
であるとき、
Ｈｖ∝ｆｖ＊ｔａｎ（θｖ）
の関係を満たすとき、光変調素子の配列方向に関し物体としての光変調素子と像に歪曲がなく、例えば物体が等ピッチで発光するとき等ピッチの結像が得られる。画像入力装置であるズーム機能付きビデオカメラやデジタルカメラでは、３〜５％程度の歪曲収差を有するものがあり、できればこれよりも歪曲収差が少ないことが望ましい。表や文書などの画像信号の場合は、ほとんど歪曲収差のない形で入力データが作成されるので、結像光学系の歪曲収差は１％以下であることはさらに望ましい。
【００３０】
光変調素子からの出射光または反射光は、その指向の中心が結像光学系の入射瞳に向かうように設定することができる。光軸から離れた光変調素子ほど発光光束が光軸に向かって傾くようにする。
自己発光型の光変調素子では発光素子の基板を徐々に傾ける。非自己発光型の光変調素子でＢＢＬＶのような反射タイプの光変調素子では、前述の正反射面に傾斜を付けることで実現することができる。こうすることにより、中心部と周辺部で像の明るさの差を低減し、ばらつきの少ない像を得ることができる。
【００３１】
光変調素子からの光の指向中心が結像光学系の入射瞳に向かうように設定する方法の一つとして、結像光学系の物体側光学系をテレセントリックにしてもよい。こうすることで、上述の効果と同等の効果を得ることができる。このとき光変調素子からの光はその指向の中心が光軸と平行である一般の素子をそのまま使用することができる。物体側に正のパワーを有する光学素子を配置することで実現が可能になり、有効な一つの実施形態といえる。
【００３２】
光変調素子からの光の指向中心が結像光学系の入射瞳に向かうように設定したものにおいて、結像光学系は、この結像光学系を構成する部材より像面側に絞りを有する、いわゆるビハインド絞りにすることができる。かかる構成にすると、偏向手段や走査光学系を隣接して配置することができ、これらの光変調素子配列方向の大きさをコンパクトに構成することができるため、光走査装置の小型化につながるほか、偏向手段を回転駆動するモータの負荷が減少し、消費電力の低減、発熱や騒音の低減を実現することができる。このときの偏向手段としては、回転多面鏡（ポリゴンミラー）、ガルバノミラー等を用いることができる。
また、結像光学系の内部に絞りを有するいわゆるインナ絞りは、もちろん採用可能である。この場合、偏向手段は大型化するものの、結像光学系の収差補正は一般に容易になる。
【００３３】
図１に示すような、１次元状に配置された光変調素子を有する光変調手段１０と、光変調素子を物体とし光変調素子からの光束を物体光として伝達し像面６０上に１次元状に結像させる結像光学系２０と、結像光学系２０から射出する光束を光変調素子の配置方向に対し直交する方向に偏向する偏向手段４０と、偏向手段４０により偏向される光束の進路に配置されている走査光学系５０とを有してなる光走査装置においては、結像光学系２０において補正可能な収差を極力補正してある。しかし、光偏向手段４０で発生する主要な２つの収差である像面湾曲とリニアリティは補正することができない。走査光学系２０はまず像面湾曲を良好に低減することが重要である。走査光学系５０は結像光学系２０に比べて大きくなるため、走査光学系５０の素子数を少なくする要求がある。そこで、リニアリティを補正することなく、周辺での走査のとき画素周波数を高周波にするなどの電気的補正を行うことで、均質で高い性能を達成することができる。
【００３４】
上記の電気的補正を行うことなく、リニアリティの補正を走査光学系５０で行うことはもちろん可能である。
光変調手段を構成する光変調素子が１次元に配列された方向に対し直交する方向に関しては、走査光学系５０は以下の関係にあることが望ましい。
θｈ：偏向手段で偏向され走査光学系に入射する光線の角度
Ｈｈ：走査光学系の光変調素子配列と直交する方向の像高
であるとき、
Ｈｈ∝θｈ
前にも述べたように、リニアリティからのずれ量は３〜５％程度以下であることが望ましく、１％以下であればさらに望ましい。
【００３５】
光変調手段１０と結像光学系２０との光軸方向の間隔を変更することで合焦を行うことができる。結像光学系２０がテレセントリックのとき、テレセントリックをくずさずに合焦できることが望ましい。光変調手段１０だけを一体で結像光学系２０の光軸方向に移動することは一つの方法である。結像光学系２０を光軸方向に移動するようにしてもよく、このとき絞りを移動するようにしても差支えない。
【００３６】
１次元状に配置された光変調素子を有する光変調手段１０と、光変調素子を物体とし光変調素子からの光束を物体光として伝達し像面６０上に１次元状に結像させる結像光学系２０と、結像光学系２０から射出する光束を光変調素子の配置方向に対し直交する方向に偏向する偏向手段４０と、偏向手段４０により偏向される光束の進路に配置されている走査光学系５０とを有してなる光走査装置を用い、特定の偏向角に対応して結像された１次元の光変調素子の像が画面の垂直方向の１ラインを表示し、この１ラインを、偏向手段によって光変調素子の配置方向に対し直交する方向に所定の角度走査することで、１画面を表示する表示装置を構成することができる。
【００３７】
上記構成の表示装置によれば、光変調手段は光変調素子を１次元状に配置したものでよいため、ＬＣＤプロジェクタやＤＭＤプロジェクタなどの面積型の光変調素子を投影結像する方式に比べて製造し易く、低コストになり、結像光学系が薄型になり、表示装置をコンパクトに構成することが可能になる。特に１次元の光偏向素子の像が画面の垂直方向の１ラインを表示するように配置することで、結像光学系の物体の高さが小さくなり、画角も小さくなって、小型化に加え所定の画像性能を容易に得ることができる。
【００３８】
上記の例とは逆に、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の水平方向の１ラインを表示し、この１ラインを、偏向手段によって光変調素子の配置方向に対し直交する方向に所定の角度走査することで、１画面を表示する表示装置を構成することができる。かかる構成の表示装置によれば、走査光学系が小型になるほか、画素周波数が低い周波数で済むという特徴がある。ただし、この表示装置の例によれば、画像信号をフレームメモリ等に取り込み、図２に示す信号処理部１６などにおいて適宜信号の配列を変更し光変調素子を駆動する必要がある。
【００３９】
以上説明した表示装置の二つの例において、光変調素子はオンとオフの２値を有するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって動作するものとし、１画素の表示時間より短いオンの時間を有するものとする。こうすることで中間の光強度を表示することができる。原理的に１画素の表示時間を変えることができない光変調素子にも適用可能である。また、光変調素子の作動原理から中間の光強度ではフレアの発生を伴う光変調素子に対しても、そのような不具合を回避することができる。
【００４０】
前述の光走査装置において、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した１次元光変調素子を、これら１次元光変調素子の配列方向と直交する方向に並列的に配置することで、カラー画像を表示できる表示装置を提供することができる。この表示装置によれば、面積型光変調手段を用いた表示装置に比べ、光変調素子の配列の間隔を製造が容易になるよう適宜設定することができる。
光変調素子によっては、カラーフィルタをオンチップで作成するか、フィルタ部材と接合する方法でコンパクトさを損なわないで実現することができ、３色の光変調素子を同一の照明光学系で照明するように構成することができる。また、これら各種の手段を併用して、多種類の色を再現することができる。
【００４１】
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した１次元光変調素子を、これら１次元光変調素子の配列方向と直交する方向に並列的に配置することで、カラー画像を表示できるようにした上記の表示装置において、走査方向の同一画素結像位置上で異なる時刻にＲ、Ｇ、Ｂの色を重ねることで色の合成を行うようにしてもよい。
このように構成された表示装置によれば、同一の結像光学系、偏向手段、走査光学系を用いることができ、このとき走査方向の同一画素結像位置上で異なる時刻にＲ、Ｇ、Ｂの色が重ね合わされ、カラー投影画像を表示する表示装置を実現することができる。３色に対して光変調素子、結像光学系、偏向手段、走査光学系を共通に使用することができ、構成がシンプルになる利点がある。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、偏向手段の前に配置される結像光学系では光束が偏向による分離をうけていないので、結像光学系の有効形状は小さく、結像光学系を構成する光学素子数を増やしても大型化を避けることができる。このように結像光学系の光学素子数の増加を許容することで、結像光学系で収差を効果的に補正し、高い性能に結びつけることが可能になる。一方、走査光学系は偏向した光束をすべて受けるので光学素子の有効形状が大きくなり、光学素子数を多くすることは不利であり、偏向手段で発生する像面湾曲の補正などにできるだけ限定するのが望ましい。その点、請求項１記載の上記構成は像面湾曲などの収差の補正を結像光学系で受け持ち、走査光学系の構成はシンプルにすることができるため、小型で、高性能の光走査装置を得るのに有効である。
また、請求項１記載の発明によれば、結像光学系をいわゆるビハインド絞りにすることにより、これに隣接して偏向手段を配置することができ、また、走査光学系の光変調素子配列方向の大きさをコンパクトに構成することができ、光走査装置の小型化につながるほか、モータの負荷が減少し、消費電力の低減、発熱や騒音を低減できる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、光変調手段は照明光学系と非自己発光型の光変調素子を有してなり、選択された信号に対応する光だけを結像光学系へ選択的に伝達するように設定されているため、線状光源、円筒状の反射鏡、シリンドリカルレンズ等を使用して光変調素子上に集中的にかつ効率的に集光することができ、明るい走査像を得るのに有効である。
【００４４】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明において、非自己発光型の光変調素子は反射タイプの両端固定反射膜型ライトバルブであって、正反射光が選択された信号に対応するように設定されているため、スイッチング周波数が高く中間調の再現に優れるという利点があり、また、ＢＢＬＶは微細化が可能なデバイスであるため、光走査装置全体を小型にできるという利点がある。
【００４５】
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、光変調手段は自己発光型の光変調素子であることから、照明光学系が不要であり光走査装置の小型化、低コスト化を図ることができる。また、素子の微細配列による小型化を図ることができ、非自己発光型の光変調素子を用いたものに比べて明るい光走査装置を得ることができる。
【００４６】
請求項５記載の発明は、θｖ：結像光学系に入射する光線の角度、ｆｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の焦点距離、Ｈｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の像高であるとき、結像光学系に、
Ｈｖ∝ｆｖ＊ｔａｎ（θｖ）
の関係を満たすようにしたものである。結像光学系が、請求項５記載の関係を満たすことによって、光変調素子の配列方向に関し物体としての光変調素子と像に歪曲がなく、例えば物体が等ピッチで発光するとき等ピッチの結像が得られる。
【００４７】
請求項６記載の発明によれば、中心部と周辺部で像の明るさの差を低減し、明るさのばらつきの少ない像を得ることができる。
【００４８】
請求項７記載の発明によれば、結像光学系を物体側がテレセントリックにすることで、請求項６記載の発明と同等の効果を得ることができる。
【００５０】
結像光学系では、補正可能な収差を極力補正するが、光偏向器で発生する主要な２つの収差、すなわち像面湾曲とリニアリティは補正することができない。一方、走査光学系はまず像面湾曲を良好に低減することが重要である。そこで、請求項８記載の発明では、走査光学系に像面湾曲を低減する機能を持たせた。
【００５１】
請求項９記載の発明は、θｈ：偏向手段で偏向され走査光学系に入射する光線の角度、Ｈｈ：走査光学系の光変調素子配列と直交する方向の像高であるとき、走査光学系が、Ｈｈ∝θｈの関係を満たすことを特徴とする。これによって、リニアリティの補正を電気的に行うことなく、リニアリティの補正を走査光学系で行うことが可能である。
【００５２】
請求項１０記載の発明のように、光変調手段と結像光学系との相対的間隔を変更することで合焦を行うことができる。請求項７記載の発明のように、結像光学系がテレセントリックのとき、テレセントリックをくずさずに合焦できることは望ましいことである。
【００５３】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１記載の光走査装置を用いた表示装置であって、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の垂直方向の１ラインを表示し、この１ラインをラインに対し直交する方向に偏向手段で所定角度偏向走査することで１画面を表示するように構成されていることから、面積型の光変調素子を投影結像する方式に比べて製造し易く、低コストになり、結像光学系が薄型になり、表示装置をコンパクトに構成することが可能になる。特に１次元の光偏向素子の像が画面の垂直方向の１ラインを表示するように配置することで、結像光学系の物体の高さが小さくなり、画角も小さくなって、小型化に加え所定の画像性能を容易に得ることができる。
【００５４】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１記載の光走査装置を用いた表示装置であって、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の水平方向の１ラインを表示し、この１ラインをラインに対し直交する方向に偏向手段で所定角度偏向走査することで１画面を表示するように構成されていることから、走査光学系が小型になるほか、画素周波数が低い周波数で済むという利点がある。
【００５５】
請求項１３記載の発明によれば、請求項１１または１３記載の発明において、光変調素子はオンとオフの２値を有し、１画素の表示時間より短いオンの時間を有することで中間の光強度を表示するように構成されていることから、中間の光強度を表示することができる。
【００５６】
請求項１４記載の発明によれば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した１次元光変調素子が、この１次元光変調素子の配列方向と直交する方向に配置されていることで、カラー画像を表示することができる表示装置を提供することができる。
【００５７】
請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の発明において、同一の結像光学系、偏向手段、走査光学系を用いることができ、３色に対する光学部品の共通使用が図られ、構成がシンプルになる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光走査装置および表示装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に適用可能な光変調手段とその周辺部分の例を示す斜視図である。
【図３】本発明に光変調手段として適用可能な両端固定反射膜型ライトバルブの例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は印加電圧ゼロ時の動作態様を示す断面図、（ｃ）は電圧印加時の動作態様を示す断面図である。
【図４】一般的なビーム走査光学系の例であって、（ａ）はポスト・オブジェクティブ型、（ｂ）はプレ・オブジェクティブ型を示す光学配置図である。
【符号の説明】
１０ 光変調手段
２０ 結像光学系
４０ 偏向手段
５０ 走査光学系
６０ 像面
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄型で小型化が可能な光走査装置および表示装置に関するもので、液晶プロジェクタやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタ等の投影装置、車載ナビゲータ、テレビ、各種表示装置などに適用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームのような点光源を用い、回転多面鏡などの光偏向手段で１ラインずつ光走査を行うことによって画像を表示する方法は良く知られている。「松居：光学、１０、Ｎｏ．５」、（１９８１）３０６ページには、ビーム走査光学系の２形態として、ポスト・オブジェクティブ型と、プレ・オブジェクティブ型が示されている。図４はこれら２形態のビーム走査光学系の例を示すもので、（ａ）はポスト・オブジェクティブ型、（ｂ）はプレ・オブジェクティブ型を示している。いずれも光偏向器７１の偏向反射面が紙面に対して直交する方向に配置されるとともに、紙面に平行な面内で回転ないしは揺動可能となっていて、像面７２上において走査線が紙面と平行な方向に描かれるようになっている。
【０００３】
図４（ａ）に示すポスト・オブジェクティブ型は、光偏向器７１が結像光学系７０の後側に配置されている。図４（ｂ）に示すプレ・オブジェクティブ型は、光偏向器７１が結像光学系７０の前側に配置されている。
ポスト・オブジェクティブ型は、図４（ａ）から分かるように像面湾曲が発生しており、リニアリティすなわち等速性も補正しきれていない。結像光学系７０は１本のビームを収束する機能だけでよいため、小型の結像光学系に構成することができる。そこで、像面７２のビームスポット径が大きくてもよい仕様の場合には、像面湾曲を無視してポスト・オブジェクティブ型を用いている。
【０００４】
図４（ｂ）に示すプレ・オブジェクティブ型は、像面湾曲を低減し被走査面を平面にすることができるのに加え、周辺像高で走査速度が早くなる欠点を結像光学系７０で補正することができることから、等速性を実現できる利点があるが、レンズなどの光学素子からなる結像光学系７０は、光走査のため分離した光束中に配置されるので、大型化するという難点がある。
【０００５】
近年、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ社から１次元の光変調素子として画素を１次元的に配列したグレーティングライトバルブ（以下「ＧＬＶ」という）が発表された。そして、ＧＬＶを物体とし、その像を画素配列方向に対し直交する方向に偏向走査して投影像を得る投影装置が公開された。この投影装置はポスト・オブジェクティブ型の光学配置になっており、レーザビーム走査と同様に、像面湾曲を補正することができないという難点がある。また、ポスト・オブジェクティブ型は結像レンズ系が小型になる利点があるものの、線状の物体であるＧＬＶを結像するので、ＧＬＶを構成する画素の配列方向に大きく、扁平な形状になる。
【０００６】
ＧＬＶを用いたプレ・オブジェクティブ型光走査装置および投影装置の光学配置例として、特開２００１−２０１７１０公報に記載されているものが知られている。これは、光変調素子としてのＧＬＶと、このＧＬＶを照明する照明光学系と、ＧＬＶからの光を走査する走査光学系とを有していて、上記走査光学系はガルバノミラーを有し、このガルバノミラーは、光透過領域付きであるとともに、ＧＬＶからの光のうち所定方向へ伝播する光束を選択してこの光束を複数の方向に順次偏向するように構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載のものによれば、走査結像光学系に要求される仕様の制約条件が多く、レンズの構成枚数が多数になり、また、各レンズの必要な大きさも大になるという難点がある。
また、エリア型の光変調素子であるＤＭＤを用いたプロジェクタの発売が始まっているが、エリア型の光変調素子は低コスト化するのに制約が多く、光学系やシステムの小型化にも限界がある。
【０００８】
さらに、３色のレーザビームを独立に変調し、２次元的に走査することで画面表示を行う方式が、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ社から発表され、発売された。この方式によれば、高い出力でかつ３色のレーザ光源が必要であるため大型になり、画素周波数が極めて高周波数になって扱いにくいという難点がある。
【０００９】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、薄型で小型化が可能な光走査装置および表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光走査装置および表示装置は、１次元状に配置された光変調素子を有する光変調手段と、光変調素子を物体とし光変調素子からの光束を物体光として伝達し像面上に１次元状に結像する結像光学系と、結像光学系から射出する光束を光変調素子の配置方向に対して直交する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の進路に配置されている走査光学系とを有していることを特徴とする。
【００１１】
偏向手段の前に配置されている結像光学系では光束が偏向による分離をうけていないので、結像光学系を構成するレンズなどの光学素子の有効形状は小さくてもよく、複数の光学素子で構成しても結像光学系の大型化を避けることができる。また、光学素子数を制限することなくある程度の数を許容することで、結像光学系で補正可能な収差を極力補正し、高い性能に結びつけることが可能になる。
【００１２】
一方、走査光学系は偏向した光束をすべて受ける必要があって、走査光学系を構成するレンズなどの光学素子の有効形状が大きくなるため、光学素子数を多くすることは不利である。また、偏向手段で発生する像面湾曲の補正などを行うためには、走査光学系を構成する光学素子数をできるだけ限定するのが望ましい。その点、上記本発明にかかる光走査装置および表示装置の構成は、結像光学系を構成する光学素子の数を増やして高性能化を図り、走査光学系の構成は簡単にして小型化を図ることができ、所期の作用効果を得るのに有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる光走査装置および表示装置の実施形態について説明する。
図１に、１次元状に配置された光変調素子を使った光走査装置の実施形態を示す。図１において、符号１０は１次元の光変調手段、２０は結像光学系、３０は絞り、４０は偏向手段、５０は走査光学系、６０は像面をそれぞれ示しており、これらの光学素子が光束の進路に沿って上記の順番に配置されている。光変調手段１０は自己発光型の例で、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）それぞれの色の光を発する光変調素子が１次元状に配列されたもので、ＲＧＢの３ラインの光変調素子が適宜の間隔で平行に配列してある。各光変調素子の発光の指向方向は配列方向に対し直角になるように配置されている。
【００１４】
結像光学系２０は、光変調手段１０側に配置されて正のパワーを持つレンズ２１と、偏向手段４０側に配置されたレンズ２２からなる。レンズ２１は、物体側すなわち光変調手段１０側が、結像光学系２０全系でほぼテレセントリックになるように構成する役割をもっている。レンズ２１とレンズ２２は協働して、光変調手段１０を構成する各光変調素子を物体としたときの像を像面６０上に結ぶように構成されている。結像光学系２０は、
θｖ：結像光学系２０に入射する光線の角度
ｆｖ：結像光学系２０の光変調素子配列方向の焦点距離
Ｈｖ：結像光学系２０の光変調素子配列方向の像高
であるとき、
Ｈｖ∝ｆｖ＊ｔａｎ（θｖ）
の関係をほぼ満たしている。これによって、光変調素子の配列方向に歪みの少ない結像関係を得ることができ、結像光学系２０は光変調素子配列方向の像面湾曲、各像高の波面収差、色収差などを補正することになる。
【００１５】
結像光学系２０の後に絞り３０が配置されてビハインド絞りになっている。絞り３０の位置で有効光束が最も収束するように結像光学系２０が設計されている。したがって、絞り３０に近接して偏向手段４０を配置することで、偏向手段４０の偏向反射面の面積を小さく設定することができる。この実施形態では、偏向手段４０として回転多面鏡（ポリゴンミラー）を用いている。偏向手段４０による偏向光束の進路上に走査光学系５０が配置されている。偏向手段４０に近接させて走査光学系５０を配置することは、走査光学系５０の寸法を小さくすることができるという点では有利であるが、像面湾曲等の補正が困難になりがちである。したがって、偏向手段４０と走査光学系５０との間隔は、小型化の要求と像面湾曲等の収差補正の要求とを勘案しながら適宜決めることになる。光変調手段１０におけるＲ、Ｇ、Ｂの３ラインの像は像面６０上に所定のライン間隔で結像され、この間隔をほぼ保って走査される。
【００１６】
図２は、光変調素子に非自己発光型の１次元光変調素子である両端固定反射膜型ライトバルブ（Ｂｏｔｈ−ｅｎｄ ｆｉｘｅｔ Ｂｅａｍ Ｌｉｇｈｔ Ｂａｌｖｅ：以下「ＢＢＬＶ」という）を用いた表示装置の実施形態を示す。図２において、符号１０はＢＢＬＶからなる光変調手段、１１は線状光源、１２は円筒状の反射鏡、１３はシリンドリカルレンズをそれぞれ示している。光変調手段１０は非自己発光型光変調手段で、１次元の反射型光変調素子であるＢＢＬＶからなる。
【００１７】
ここで、ＢＢＬＶについて図３を参照しながら概略的に説明しておく。図３において、単結晶シリコン材などからなる基盤４にはＶ字状の凹部２５が形成されていて、この凹部２５の表面を覆って基板電極２６が形成されている。上記凹部２５を基板電極２６の上から跨いで両持ち梁２７が掛け渡されるとともに、両持ち梁２７の両端部が基板電極２６上に固定されている。ただし、基板電極２６の表面は適宜の保護膜で保護されている。両持ち梁２７は単結晶シリコンなどの薄膜で形成されている。両持ち梁２７の上面には入射光を正反射する光反射膜２８が形成されている。基板電極２６と両持ち梁２７の端部に形成された電極との間に電圧を印加することができるようになっていて、上記基板電極２６、両持ち梁２７、両持ち梁２７の端部の電極によって静電アクチュエータ２９が構成されている。
【００１８】
図３（ｂ）は、静電アクチュエータ２９に電圧が印加されない状態を示しており、両持ち梁２７および光反射膜２８は平面を保っている。図３（ｂ）に示すように、光反射膜２８に向かって照明光束が入射され、上記のように光反射膜２８は平面を保っている状態における光反射膜２８による上記照明光束の反射光路上に前記レンズ２１が配置されている。したがって、図３（ｂ）に示す状態では、レンズ２１の後ろ側の観察面では明るく、光がオンされたことになる。
【００１９】
上記静電アクチュエータ２９に電圧が印加されると、図３（ｃ）に示すように、基板電極２６と両持ち梁２７との間に静電力が発生し、両持ち梁２７が基板電極２６に吸着される。そのため、入射した照明光束の光反射膜２８による反射方向は、レンズ２１への入射光路から外れ、レンズ２１の後ろ側の観察面では暗く、光がオフされたことになる。
【００２０】
図３に示すＢＢＬＶは１画素分である。ＢＢＬＶは、例えば、１素子の反射形状が２０μｍ×２０μｍ、素子のピッチは２１μｍで１２００個の素子が１次元状に配置されており、光変調素子の長さは約２５．２ｍｍ、カラーフィルタ部材が接合手法で作成され一体化されている。１次元状に配列された、ＲＧＢの３色の光変調手段が幅約５０μｍで平行に配置されている。
【００２１】
線状光源１１はハロゲン電球等の線状光源でＢＢＬＶの素子配列方向長さよりやや長い発光長を有している。反射鏡１２の断面形状は、円や楕円、放物線、高次項を含む非球面など、適宜の形状を選択して適用すればよい。反射鏡１２はシリンドリカルレンズ１３と協働してＢＢＬＶの素子配列面上に線状の集光光束をつくる。３ラインのＢＢＬＶの被照明幅は例えば０．１２ｍｍ程度であるが、実際にはより広い幅に集光され、部品の加工公差や配置の位置誤差などに振り分けられる。
【００２２】
図示されていないが、ＢＢＬＶで構成される光変調手段１０からの反射光路上には結像光学系、偏向手段が配置されている。結像光学系は、例えば投影距離が２０００ｍｍで、９００ｍｍの結像長さが得られるように設定される。結像光学系は、光変調手段１０の光変調素子配列方向を短辺としているので、投影倍率はｍ＝−３５．７となり、焦点距離：ｆ＝５４．５ｍｍの結像光学系が上記の条件で最適化されている。表示画面の中心の縦線を基準に偏向器の偏向反射面は−８．５°〜＋８．５°回転することで、反射光は−１７°〜＋１７°偏向されて、例えば１２００ｍｍの範囲で走査され、１６００個の表示画素が表示される。表示距離が１２００ｍｍのとき７２０ｍｍ×５４０ｍｍの表示サイズであり、表示距離が６５００ｍｍのとき４０００ｍｍ×３０００ｍｍの表示サイズであるよう設定されるが、この間、結像光学系は絞りと一体で光軸方向に移動されピントが合致するように構成されている。上記結像光学系の移動量は、表示距離が１２００ｍｍのとき、ポリゴンミラーなどからなる偏向手段の方に１．０２ｍｍ程度、表示距離が６５００ｍｍのとき光変調手段１０方向に１．０７ｍｍ程度となる。
【００２３】
偏向手段の偏向反射面１面あたりの有効走査期間率が５０％、フレーム周波数が６０Ｈｚのとき、１画素の表示時間は５００ｎＳｅｃであり、例えば５ｎＳｅｃ単位でオン信号の長さを選択することで中間調の表示ができる。図示の例では１００階調が表示可能で、３色では１００万色の表示が可能である。
【００２４】
図２にはＢＢＬＶの駆動回路が記載されている。画像信号発生部１５で、表示しようとする画像信号を発生する。この画像信号は動画信号であってもよいし、スチル画像信号であってもよく、また、メモリに記録されている信号であってもよいし、カメラの再生信号であってもよい。上記画像信号は信号処理部１６において表示に適した信号となるように処理され、駆動信号発生部１７が上記処理信号に応じた駆動信号を発生して光変調手段１０を駆動するようになっている。
【００２５】
図２に示す実施形態は、光変調手段１０が１次元状に配置された非自己発光型の光変調素子であるＢＢＬＶからなり、この光変調手段１０を照明する照明光学系を有している。光変調手段１０を構成する光変調素子は、選択された信号に対応する照明光だけを正反射して、結像光学系へ選択的に伝達するように設定されている。換言すれば、反射タイプのＢＢＬＶからなる非自己発光型光変調素子１０は、正反射光が選択された信号に対応するように設定されている。これによって、光走査装置を構成するのに有効である。また、線状光源１１、円筒状の反射鏡１２、シリンドリカルレンズ１３等を使用して光変調手段１０上に効率的に集光することができ、明るい走査像を得るのに有効である。
【００２６】
上記実施形態における光源１１を適宜選択することで、色温度や明るさの仕様を変更できる。光源部と光変調素子の間に赤外カット等の各種フィルタを挿入することにより、光変調素子以後の温度上昇を抑制するようにするとよい。
【００２７】
ＢＢＬＶは、前述のとおり、数１０μｍのＶ字型ベース上に梁を渡した構造の素子であって、電圧がオフのとき両持ち梁は平面であって光は正反射され、電圧がオンのとき上記両持ち梁はＶ字型ベースに当接するため反射光の方向が変化し、光のオンとオフの変調を可能にする素子である。ＢＢＬＶを、選択された信号に対応する光だけを結像光学系へ選択的に伝達するように設定することで、スイッチング周波数が高い、したがって、後述する中間調の再現に優れた微細な形に形成することが可能なデバイスで、光走査装置全体を小型にすることができる。さらに、矩形ミラーであって先鋭な像を作成することができるなどＢＢＬＶの特徴を活かした光走査装置および表示装置を提供すことができる。また正反射光が選択された信号に対応するように設定することで、結像に必要な光を効果的に導くことができる。
【００２８】
図１に示す実施形態のように、光変調手段は自己発光型の光変調素子とすることが可能である。光変調手段を自己発光型の光変調素子で構成すれば、照明光学系が不要で小型化が可能になる。自己発光型の光変調素子として、１次元に配列されたＬＣＤ、ＬＥＤアレイ、ＬＤアレイ、ＥＬアレイなどを用いることができる。これらの素子は固有の特徴を有しているので、低コスト、微細配列による小型化、明るい光走査装置、などのコンセプトに応じて、これを実現可能な素子を選択するとよい。
【００２９】
光変調素子の１次元に配列された方向の結像に関しては、結像光学系は以下の関係にあることが望ましい。
θｖ：結像光学系に入射する光線の角度
ｆｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の焦点距離
Ｈｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の像高
であるとき、
Ｈｖ∝ｆｖ＊ｔａｎ（θｖ）
の関係を満たすとき、光変調素子の配列方向に関し物体としての光変調素子と像に歪曲がなく、例えば物体が等ピッチで発光するとき等ピッチの結像が得られる。画像入力装置であるズーム機能付きビデオカメラやデジタルカメラでは、３〜５％程度の歪曲収差を有するものがあり、できればこれよりも歪曲収差が少ないことが望ましい。表や文書などの画像信号の場合は、ほとんど歪曲収差のない形で入力データが作成されるので、結像光学系の歪曲収差は１％以下であることはさらに望ましい。
【００３０】
光変調素子からの出射光または反射光は、その指向の中心が結像光学系の入射瞳に向かうように設定することができる。光軸から離れた光変調素子ほど発光光束が光軸に向かって傾くようにする。
自己発光型の光変調素子では発光素子の基板を徐々に傾ける。非自己発光型の光変調素子でＢＢＬＶのような反射タイプの光変調素子では、前述の正反射面に傾斜を付けることで実現することができる。こうすることにより、中心部と周辺部で像の明るさの差を低減し、ばらつきの少ない像を得ることができる。
【００３１】
光変調素子からの光の指向中心が結像光学系の入射瞳に向かうように設定する方法の一つとして、結像光学系の物体側光学系をテレセントリックにしてもよい。こうすることで、上述の効果と同等の効果を得ることができる。このとき光変調素子からの光はその指向の中心が光軸と平行である一般の素子をそのまま使用することができる。物体側に正のパワーを有する光学素子を配置することで実現が可能になり、有効な一つの実施形態といえる。
【００３２】
光変調素子からの光の指向中心が結像光学系の入射瞳に向かうように設定したものにおいて、結像光学系は、この結像光学系を構成する部材より像面側に絞りを有する、いわゆるビハインド絞りにすることができる。かかる構成にすると、偏向手段や走査光学系を隣接して配置することができ、これらの光変調素子配列方向の大きさをコンパクトに構成することができるため、光走査装置の小型化につながるほか、偏向手段を回転駆動するモータの負荷が減少し、消費電力の低減、発熱や騒音の低減を実現することができる。このときの偏向手段としては、回転多面鏡（ポリゴンミラー）、ガルバノミラー等を用いることができる。
また、結像光学系の内部に絞りを有するいわゆるインナ絞りは、もちろん採用可能である。この場合、偏向手段は大型化するものの、結像光学系の収差補正は一般に容易になる。
【００３３】
図１に示すような、１次元状に配置された光変調素子を有する光変調手段１０と、光変調素子を物体とし光変調素子からの光束を物体光として伝達し像面６０上に１次元状に結像させる結像光学系２０と、結像光学系２０から射出する光束を光変調素子の配置方向に対し直交する方向に偏向する偏向手段４０と、偏向手段４０により偏向される光束の進路に配置されている走査光学系５０とを有してなる光走査装置においては、結像光学系２０において補正可能な収差を極力補正してある。しかし、光偏向手段４０で発生する主要な２つの収差である像面湾曲とリニアリティは補正することができない。走査光学系２０はまず像面湾曲を良好に低減することが重要である。走査光学系５０は結像光学系２０に比べて大きくなるため、走査光学系５０の素子数を少なくする要求がある。そこで、リニアリティを補正することなく、周辺での走査のとき画素周波数を高周波にするなどの電気的補正を行うことで、均質で高い性能を達成することができる。
【００３４】
上記の電気的補正を行うことなく、リニアリティの補正を走査光学系５０で行うことはもちろん可能である。
光変調手段を構成する光変調素子が１次元に配列された方向に対し直交する方向に関しては、走査光学系５０は以下の関係にあることが望ましい。
θｈ：偏向手段で偏向され走査光学系に入射する光線の角度
Ｈｈ：走査光学系の光変調素子配列と直交する方向の像高
であるとき、
Ｈｈ∝θｈ
前にも述べたように、リニアリティからのずれ量は３〜５％程度以下であることが望ましく、１％以下であればさらに望ましい。
【００３５】
光変調手段１０と結像光学系２０との光軸方向の間隔を変更することで合焦を行うことができる。結像光学系２０がテレセントリックのとき、テレセントリックをくずさずに合焦できることが望ましい。光変調手段１０だけを一体で結像光学系２０の光軸方向に移動することは一つの方法である。結像光学系２０を光軸方向に移動するようにしてもよく、このとき絞りを移動するようにしても差支えない。
【００３６】
１次元状に配置された光変調素子を有する光変調手段１０と、光変調素子を物体とし光変調素子からの光束を物体光として伝達し像面６０上に１次元状に結像させる結像光学系２０と、結像光学系２０から射出する光束を光変調素子の配置方向に対し直交する方向に偏向する偏向手段４０と、偏向手段４０により偏向される光束の進路に配置されている走査光学系５０とを有してなる光走査装置を用い、特定の偏向角に対応して結像された１次元の光変調素子の像が画面の垂直方向の１ラインを表示し、この１ラインを、偏向手段によって光変調素子の配置方向に対し直交する方向に所定の角度走査することで、１画面を表示する表示装置を構成することができる。
【００３７】
上記構成の表示装置によれば、光変調手段は光変調素子を１次元状に配置したものでよいため、ＬＣＤプロジェクタやＤＭＤプロジェクタなどの面積型の光変調素子を投影結像する方式に比べて製造し易く、低コストになり、結像光学系が薄型になり、表示装置をコンパクトに構成することが可能になる。特に１次元の光偏向素子の像が画面の垂直方向の１ラインを表示するように配置することで、結像光学系の物体の高さが小さくなり、画角も小さくなって、小型化に加え所定の画像性能を容易に得ることができる。
【００３８】
上記の例とは逆に、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の水平方向の１ラインを表示し、この１ラインを、偏向手段によって光変調素子の配置方向に対し直交する方向に所定の角度走査することで、１画面を表示する表示装置を構成することができる。かかる構成の表示装置によれば、走査光学系が小型になるほか、画素周波数が低い周波数で済むという特徴がある。ただし、この表示装置の例によれば、画像信号をフレームメモリ等に取り込み、図２に示す信号処理部１６などにおいて適宜信号の配列を変更し光変調素子を駆動する必要がある。
【００３９】
以上説明した表示装置の二つの例において、光変調素子はオンとオフの２値を有するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって動作するものとし、１画素の表示時間より短いオンの時間を有するものとする。こうすることで中間の光強度を表示することができる。原理的に１画素の表示時間を変えることができない光変調素子にも適用可能である。また、光変調素子の作動原理から中間の光強度ではフレアの発生を伴う光変調素子に対しても、そのような不具合を回避することができる。
【００４０】
前述の光走査装置において、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した１次元光変調素子を、これら１次元光変調素子の配列方向と直交する方向に並列的に配置することで、カラー画像を表示できる表示装置を提供することができる。この表示装置によれば、面積型光変調手段を用いた表示装置に比べ、光変調素子の配列の間隔を製造が容易になるよう適宜設定することができる。
光変調素子によっては、カラーフィルタをオンチップで作成するか、フィルタ部材と接合する方法でコンパクトさを損なわないで実現することができ、３色の光変調素子を同一の照明光学系で照明するように構成することができる。また、これら各種の手段を併用して、多種類の色を再現することができる。
【００４１】
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した１次元光変調素子を、これら１次元光変調素子の配列方向と直交する方向に並列的に配置することで、カラー画像を表示できるようにした上記の表示装置において、走査方向の同一画素結像位置上で異なる時刻にＲ、Ｇ、Ｂの色を重ねることで色の合成を行うようにしてもよい。
このように構成された表示装置によれば、同一の結像光学系、偏向手段、走査光学系を用いることができ、このとき走査方向の同一画素結像位置上で異なる時刻にＲ、Ｇ、Ｂの色が重ね合わされ、カラー投影画像を表示する表示装置を実現することができる。３色に対して光変調素子、結像光学系、偏向手段、走査光学系を共通に使用することができ、構成がシンプルになる利点がある。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、偏向手段の前に配置される結像光学系では光束が偏向による分離をうけていないので、結像光学系の有効形状は小さく、結像光学系を構成する光学素子数を増やしても大型化を避けることができる。このように結像光学系の光学素子数の増加を許容することで、結像光学系で収差を効果的に補正し、高い性能に結びつけることが可能になる。一方、走査光学系は偏向した光束をすべて受けるので光学素子の有効形状が大きくなり、光学素子数を多くすることは不利であり、偏向手段で発生する像面湾曲の補正などにできるだけ限定するのが望ましい。その点、請求項１記載の上記構成は像面湾曲などの収差の補正を結像光学系で受け持ち、走査光学系の構成はシンプルにすることができるため、小型で、高性能の光走査装置を得るのに有効である。
また、請求項１記載の発明によれば、結像光学系をいわゆるビハインド絞りにすることにより、これに隣接して偏向手段を配置することができ、また、走査光学系の光変調素子配列方向の大きさをコンパクトに構成することができ、光走査装置の小型化につながるほか、モータの負荷が減少し、消費電力の低減、発熱や騒音を低減できる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、光変調手段は照明光学系と非自己発光型の光変調素子を有してなり、選択された信号に対応する光だけを結像光学系へ選択的に伝達するように設定されているため、線状光源、円筒状の反射鏡、シリンドリカルレンズ等を使用して光変調素子上に集中的にかつ効率的に集光することができ、明るい走査像を得るのに有効である。
【００４４】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明において、非自己発光型の光変調素子は反射タイプの両端固定反射膜型ライトバルブであって、正反射光が選択された信号に対応するように設定されているため、スイッチング周波数が高く中間調の再現に優れるという利点があり、また、ＢＢＬＶは微細化が可能なデバイスであるため、光走査装置全体を小型にできるという利点がある。
【００４５】
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、光変調手段は自己発光型の光変調素子であることから、照明光学系が不要であり光走査装置の小型化、低コスト化を図ることができる。また、素子の微細配列による小型化を図ることができ、非自己発光型の光変調素子を用いたものに比べて明るい光走査装置を得ることができる。
【００４６】
請求項５記載の発明は、θｖ：結像光学系に入射する光線の角度、ｆｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の焦点距離、Ｈｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の像高であるとき、結像光学系に、
Ｈｖ∝ｆｖ＊ｔａｎ（θｖ）
の関係を満たすようにしたものである。結像光学系が、請求項５記載の関係を満たすことによって、光変調素子の配列方向に関し物体としての光変調素子と像に歪曲がなく、例えば物体が等ピッチで発光するとき等ピッチの結像が得られる。
【００４７】
請求項６記載の発明によれば、中心部と周辺部で像の明るさの差を低減し、明るさのばらつきの少ない像を得ることができる。
【００４８】
請求項７記載の発明によれば、結像光学系を物体側がテレセントリックにすることで、請求項６記載の発明と同等の効果を得ることができる。
【００５０】
結像光学系では、補正可能な収差を極力補正するが、光偏向器で発生する主要な２つの収差、すなわち像面湾曲とリニアリティは補正することができない。一方、走査光学系はまず像面湾曲を良好に低減することが重要である。そこで、請求項８記載の発明では、走査光学系に像面湾曲を低減する機能を持たせた。
【００５１】
請求項９記載の発明は、θｈ：偏向手段で偏向され走査光学系に入射する光線の角度、Ｈｈ：走査光学系の光変調素子配列と直交する方向の像高であるとき、走査光学系が、Ｈｈ∝θｈの関係を満たすことを特徴とする。これによって、リニアリティの補正を電気的に行うことなく、リニアリティの補正を走査光学系で行うことが可能である。
【００５２】
請求項１０記載の発明のように、光変調手段と結像光学系との相対的間隔を変更することで合焦を行うことができる。請求項７記載の発明のように、結像光学系がテレセントリックのとき、テレセントリックをくずさずに合焦できることは望ましいことである。
【００５３】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１記載の光走査装置を用いた表示装置であって、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の垂直方向の１ラインを表示し、この１ラインをラインに対し直交する方向に偏向手段で所定角度偏向走査することで１画面を表示するように構成されていることから、面積型の光変調素子を投影結像する方式に比べて製造し易く、低コストになり、結像光学系が薄型になり、表示装置をコンパクトに構成することが可能になる。特に１次元の光偏向素子の像が画面の垂直方向の１ラインを表示するように配置することで、結像光学系の物体の高さが小さくなり、画角も小さくなって、小型化に加え所定の画像性能を容易に得ることができる。
【００５４】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１記載の光走査装置を用いた表示装置であって、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の水平方向の１ラインを表示し、この１ラインをラインに対し直交する方向に偏向手段で所定角度偏向走査することで１画面を表示するように構成されていることから、走査光学系が小型になるほか、画素周波数が低い周波数で済むという利点がある。
【００５５】
請求項１３記載の発明によれば、請求項１１または１３記載の発明において、光変調素子はオンとオフの２値を有し、１画素の表示時間より短いオンの時間を有することで中間の光強度を表示するように構成されていることから、中間の光強度を表示することができる。
【００５６】
請求項１４記載の発明によれば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した１次元光変調素子が、この１次元光変調素子の配列方向と直交する方向に配置されていることで、カラー画像を表示することができる表示装置を提供することができる。
【００５７】
請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の発明において、同一の結像光学系、偏向手段、走査光学系を用いることができ、３色に対する光学部品の共通使用が図られ、構成がシンプルになる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光走査装置および表示装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に適用可能な光変調手段とその周辺部分の例を示す斜視図である。
【図３】本発明に光変調手段として適用可能な両端固定反射膜型ライトバルブの例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は印加電圧ゼロ時の動作態様を示す断面図、（ｃ）は電圧印加時の動作態様を示す断面図である。
【図４】一般的なビーム走査光学系の例であって、（ａ）はポスト・オブジェクティブ型、（ｂ）はプレ・オブジェクティブ型を示す光学配置図である。
【符号の説明】
１０ 光変調手段
２０ 結像光学系
４０ 偏向手段
５０ 走査光学系
６０ 像面
Claims (15)
- １次元状に配置された光変調素子を有する光変調手段と、光変調素子を物体とし光変調素子からの光束を物体光として伝達し像面上に１次元状に結像させる結像光学系と、結像光学系から射出する光束を光変調素子の配置方向に対し直交する方向に偏向する偏向手段と、偏向手段により偏向される光束の進路に配置されている走査光学系とを有する光走査装置であって、
前記結像光学系は、この結像光学系を構成する部材より像面側かつ前記偏向手段より光源である前記光変調手段側に絞りを有し、この絞りの配置位置近傍にて前記１次元状に配置された光変調素子からの複数の光束を最も集束し、前記偏向手段は前記絞りに近接して配置されていることを特徴とする光走査装置。 - 光変調手段は照明光学系と非自己発光型の光変調素子を有してなり、選択された信号に対応する光だけを結像光学系へ選択的に伝達するように設定されている請求項１記載の光走査装置。
- 非自己発光型の光変調素子は反射タイプの両端固定反射膜型ライトバルブであって、正反射光が選択された信号に対応するように設定されている請求項２記載の光走査装置。
- 光変調手段は自己発光型の光変調素子であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
- 結像光学系は、
θｖ：結像光学系に入射する光線の角度
ｆｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の焦点距離
Ｈｖ：結像光学系の光変調素子配列方向の像高
であるとき、
Ｈｖ∝ｆｖ＊ｔａｎ（θｖ）
を満たすことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。 - 光変調素子からの光は、その指向の中心が結像光学系の入射瞳に向うように設定されている請求項５記載の光走査装置。
- 結像光学系は、物体側がテレセントリックである請求項５記載の光走査装置。
- 走査光学系は、偏向手段で発生する像面湾曲を良好に低減する機能を有することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
- 走査光学系は、
θｈ：偏向手段で偏向され走査光学系に入射する光線の角度
Ｈｈ：走査光学系の光変調素子配列と直交する方向の像高
であるとき、
Ｈｈ∝θｈ
を満たすことを特徴とする請求項８記載の光走査装置。 - 光変調手段と結像光学系との光軸方向の間隔を変更することにより合焦を行うことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
- 請求項１記載の光走査装置を用い、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の垂直方向の１ラインを表示し、偏向手段により上記１ラインを光変調素子の配列方向に対し直交する方向に所定角度偏向走査することで１画面を表示するように構成されていることを特徴とする表示装置。
- 請求項１記載の光走査装置を用い、特定の偏向角に対応して結像された１次元の像が画面の水平方向の１ラインを表示し、偏向手段により上記１ラインを光変調素子の配列方向に対し直交する方向に所定角度偏向走査することで１画面を表示するように構成されていることを特徴とする表示装置。
- 光変調素子はオンとオフの２値を有し、１画素の表示時間より短いオンの時間を有することで中間の光強度を表示することができる請求項５または６記載の表示装置。
- 赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に対応した１次元光変調素子が、１次元光変調素子の配列方向と直交する方向に配置されていることを特徴とする請求項１１または１２記載の表示装置。
- 走査方向の同一画素結像位置上で異なる時刻に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色を重ねることで色の合成を行うことを特徴とする請求項１４記載の表示装置。
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