JP7486104B2

JP7486104B2 - 光学系

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Publication number: JP7486104B2
Application number: JP2021515987A
Authority: JP
Inventors: 聡葛原; 恒夫内田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2040-04-10
Also published as: JPWO2020218036A1; WO2020218036A1; EP3961288A4; EP3961288A1; CN113260899B; CN113260899A; US20210373304A1

Description

本開示は、プリズムを用いた光学系に関する。

特許文献１は、２方向にそれぞれ走査する走査装置を有する光学系を開示する。この光学系は、走査されたレーザをミラーを用いて伝送することが記載されている。ミラーを用いてレーザを伝送すると、ミラー間に空気の層があるので、光学系のサイズを小型化しにくい。

特開２０１８－１０８４００号公報

ミラー間をプリズムの媒質で埋めると光学系のサイズを小型化することができるが、さらなる小型化が求められている。

本開示は、小型化された、プリズムを用いた光学系を提供する。

本開示の光学系は、入射面と出射面と１面以上の反射面とを有するプリズムと、
入射する光を第１方向に走査して前記プリズムの前記入射面の方向へ反射する第１走査素子と、
前記プリズムの出射面から出射する前記光を前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、
前記プリズムの前記入射面は、前記第１走査素子に対して凸面形状を有する。

本開示の光学系は、入射面と出射面と１面以上の反射面とを有するプリズムと、
入射する光を第１方向に走査して前記プリズムの前記入射面の方向へ反射する第１走査素子と、
前記プリズムの出射面から出射する前記光を前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、
前記プリズムの前記出射面は、前記第２走査素子に対して凸面形状を有する。

本開示の光学系は、入射面と出射面と１面以上の反射面とを有するプリズムと、
入射する光を第１方向に走査して前記プリズムの前記入射面の方向へ反射する第１走査素子と、
前記プリズムの出射面から出射する前記光を前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、
前記プリズムは、前記入射面から出射された光を反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光を反射する第２反射面と、を有し、前記入射面から前記第１反射面までの光路長をＬ１、前記第１反射面から前記第２反射面までの光路長をＬ２としたとき、
Ｌ１＜Ｌ２
を満たす。

本開示における光学系は、小型化されたプリズムを用いた光学系を提供することが可能である。

実施形態１における光学系の構成を示す断面図実施形態１におけるレーザ素子から照射直後のレーザ光の瞳径を示す図プリズムの入射面の拡大断面図レーザ光のＸ成分およびＹ成分のそれぞれの中間結像位置を示す図中間結像位置（Ｐｘ）におけるレーザ光の瞳径を示す図中間結像位置（Ｐｙ）におけるレーザ光の瞳径を示す図プリズムを出射したレーザ光の瞳径を示す図赤色、青色のそれぞれのレーザ光の中間結像位置を示す図赤色、青色のそれぞれのレーザ光のプリズムの入射面での屈折を示す図レーザ光のＸ成分の中間結像位置を示す図実施形態２における光学系の構成を示す断面図変形例における光学系の構成を示す断面図比較例における光学系の構成を示す断面図比較例における光学系の構成を示す断面図変形例における光学系の構成を示す断面図変形例における光学系の構成を示す断面図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施形態１）
以下、図１～図９を用いて、実施形態１を説明する。なお、本実施形態において、図２に示すように、例えば、Ｘ方向は、レーザ素子１１から出射されるレーザ光Ｒの瞳径１１ａの長径方向であり、Ｙ方向は、レーザ素子１１から出射されるレーザ光Ｒの瞳径１１ａの短径方向である。Ｘ方向およびＹ方向は互いに直交し、ＸＹ平面に直交する方向がＺ方向である。
[１－１．構成]
図１は、本開示に係る光学系１の構成示す断面図である。光学系１は、レーザ素子１１と、第１走査素子１３と、プリズム１５と、第２走査素子１７とを備える。

レーザ素子１１は、例えば、半導体レーザである。レーザ素子１１から照射されるレーザ光Ｒは、Ｘ方向とＹ方向とで瞳径が異なる平行光である。例えば、図２に示すように、レーザ素子１１から照射直後のレーザ光Ｒの瞳径１１ａは、Ｘ方向に延びた楕円形を有する。レーザ素子１１から照射されるレーザ光Ｒは、第１走査素子１３によりＸ方向に走査されてプリズム１５の入射面１５ａに入射する。レーザ光Ｒは、例えば、Ｒ（Ｒｅｄ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）の色を有するように、複数の波長（波長域）を有する。レーザ素子１１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を一つの光束に混合したレーザ光Ｒとして出射してもよいし、それぞれの色の光束のレーザ光Ｒを順次出射してもよい。

図１に示すように、第１走査素子１３は、入射したレーザ光Ｒを第１方向としてのＸ方向に走査する。第１走査素子１３は、例えば、Ｙ方向を回転軸として圧電駆動により回転駆動されるミラーである。第１走査素子１３は、例えば、垂直方向のスキャナである。これにより、平行光がＸ方向に拡散される。

プリズム１５は、入射面１５ａと、出射面１５ｄとを有する。プリズム１５は、入射面１５ａから出射面１５ｄまでの光路間に、さらに、１面以上の反射面を有しており、本実施形態では、例えば、第１反射面１５ｂと、第２反射面１５ｃとを有する。プリズム１５は、例えば、樹脂製またはガラス製である。

入射面１５ａは第１走査素子１３と対向しており、第１走査素子１３によりＸ方向に走査されたレーザ光Ｒが入射面１５ａを通ってプリズム１５内へ入射される。入射面１５ａと第１反射面１５ｂとは対向しており、入射面１５ａから入射したレーザ光Ｒは、第１反射面１５ｂでプリズム１５内に反射される。

図３に示すように、入射面１５ａは、第１走査素子１３に対して凸面形状を有する。入射面１５ａは、第１走査素子１３の走査するＸ方向に沿って曲率を有する曲面形状であり、プリズム１５の外方向に突出している。図３には、比較例として、入射面１５ａが凸面形状でない場合のレーザ光Ｒの進行方向Ｒｖが示されている。入射面１５ａの形状を凸面形状にすることで、入射面１５ａから入射したレーザ光Ｒを内側へ屈折させることができる。このように、Ｘ方向に走査されたレーザ光Ｒは、その拡がりを抑制した状態で、例えば、走査されたレーザ光の中心光線同士が平行な光として、プリズム内を進行することができるので、プリズム１５の小型化を実現することができる。

また、入射面１５ａは、第１走査素子１３の走査方向に対して凸面形状を有する、回転非対称面であってもよい。

また、入射面１５ａは、第１走査素子１３の走査方向よりも非走査方向への屈折力が小さくてもよい。これによって、入射面１５ａで発生する非走査方向の色収差を抑制することが出来る。

第１反射面１５ｂで反射されたレーザ光Ｒは、中間結像された後、再び瞳径を拡大して第２反射面１５ｃで再びプリズム１５内に反射される。第２反射面１５ｃで反射されたレーザ光Ｒは、出射面１５ｄからプリズム１５外へ出射される。

第１反射面１５ｂおよび第２反射面１５ｃは、それぞれ、第１方向としてのＸ方向と第２方向としてのＹ方向とで異なる曲率を有する。したがって、第１反射面１５ｂおよび第２反射面１５ｃは、自由曲面形状を有している。

また、第１反射面１５ｂおよび第２反射面１５ｃは、それぞれ、入射光に対して偏心してもよい。これにより、ビームスプリッタ等の光学素子を用いずに、入射光の光路を分離することが可能となる。また、第１反射面１５ｂおよび第２反射面１５ｃは、それぞれ、入射光に対して凸面形状を有する。

プリズム１５の出射面１５ｄも、入射面１５ａと同様の構成を有してもよい。出射面１５ｄは、第２走査素子１７に対して凸面形状を有してもよい。これにより、Ｘ方向に走査されたレーザ光Ｒの拡がりを抑制した状態でプリズム１５内を進行する光を第２走査素子１７に集光することができるので、プリズム１５の小型化を実現することができる。例えば、出射面１５ｄは、第１走査素子１３の走査するＸ方向に沿って曲率を有し、プリズム１５の外方向に突出している。なお、入射面１５ａと出射面１５ｄのＸ方向の曲率は、対称性を有してもよい。また、出射面１５ｄは、第２走査素子１７の走査するＹ方向に沿って曲率を有し、プリズム１５の外方向に突出していてもよい。

また、出射面１５ｄは、第２走査素子１７の走査方向よりも非走査方向への屈折力が小さくてもよい。

第２走査素子１７は、プリズム１５の出射面１５ｄから出射されたレーザ光ＲをＹ方向に走査して、投射面１９に投影する。第２走査素子１７は、例えば、圧電駆動によりＸ方向を回転軸として回転駆動されるミラーである。第２走査素子１７は、例えば、水平スキャナである。また、第２走査素子１７は第１走査素子１３と同期して走査しており、これにより二次元画像を投射面１９に投影することが出来る。

本実施形態における光学系１は、レーザ素子１１からの光路の順に、第１走査素子１３と、プリズム１５の入射面１５ａと、プリズム１５の第１反射面１５ｂと、プリズム１５の第２反射面１５ｃと、プリズム１５の出射面１５ｄと、第２走査素子１７が配置されている。したがって、プリズム１５は、第１走査素子１３から第２走査素子１７への光路の間に配置されている。

図４に示すように、光学系１は、プリズム１５内の第１反射面１５ｂと、プリズム１５内の第２反射面１５ｃとの間で、レーザ光Ｒの光束のＸ方向において中間結像位置Ｐｘを有する。すなわち、レーザ光Ｒは、第１反射面１５ｂにより中間結像される。

また、レーザ光ＲのＸ方向の成分であるＲｘとＹ方向の成分であるＲｙの焦点距離も異なっているので、レーザ光ＲのＸ成分Ｒｘの中間結像位置ＰｘとＹ成分Ｒｙの中間結像位置Ｐｙとは異なっている。また、Ｘ成分ＲｘとＹ成分Ｒｙのそれぞれの焦点距離が異なっているので、プリズム１５の出射面１５ｄから出射される際のそれぞれの拡大率も異なる。すなわち、光学系１は、Ｘ方向とＹ方向とで異なる光学倍率を有する。例えば、本実施形態において、Ｘ方向よりもＹ方向の方が焦点距離が大きいので、Ｘ方向よりもＹ方向の光学倍率が大きい。

Ｘ方向のレーザ光Ｒの光束の中間結像位置Ｐｘは、Ｘ方向と直交するＹ方向のレーザ光Ｒの光束と同じ位置で交わらない。すなわち、レーザ光ＲのＸ成分Ｒｘの中間結像位置Ｐｘは、レーザ光ＲのＹ成分Ｒｙの中間結像位置Ｐｙと同じ位置にならない。これにより、図５に示すように、中間結像位置Ｐｘにおけるレーザ光Ｒの瞳径１１ｂは、Ｙ方向に延びた直線形状を有している。この結果、中間結像位置Ｐｘにゴミや傷があった場合に、レーザ光Ｒの瞳径１１ｂが消失することを防ぐことが出来る。

また、図６に示すように、レーザ光ＲのＹ成分Ｒｙの中間結像位置Ｐｙにおいて、レーザ光Ｒの瞳径１１ｃは、レーザ光ＲのＸ成分Ｒｘが結像する前に存在する。このように、中間結像位置Ｐｙにおけるレーザ光Ｒの瞳径１１ｃも、Ｘ方向に延びた直線形状を有している。なお、光学系１の光学倍率がＸ方向よりもＹ方向の方が大きいので、出射面１５ｄから出射したレーザ光Ｒの瞳径１１ｄは、図７に示すように、円形状に形成されている。

レーザ素子１１から出射するＸ方向の第１出射瞳径φｘ１およびＹ方向の第２出射瞳径φｙ１と、プリズム１５の出射面１５ｄを通って投射面１９に到達するＸ方向の第１投射瞳径φｘ２およびＹ方向の第２投射瞳径φｙ２との関係が、
０．１＜（φｘ１×φｙ１）／（φｘ２×φｙ２）＜０．８
である。この関係を満たすことで、中間結像位置Ｐｘ、Ｐｙにおけるスポットサイズが大きくなり、プリズム１５の内部におけるゴミや傷の影響を効果的に軽減することが出来る。

次に、図８を参照して、実施形態１の光学系１であれば、プリズム１５の入射面１５ａによって発生する色収差が低減されることを説明する。図８（ａ）は、青色のレーザ光Ｒｂの中間結像位置Ｐｘｂを示す図であり、図８（ｂ）は、赤色のレーザ光Ｒｒの中間結像位置Ｐｘｒを示す図である。なお、図８（ａ）および図８（ｂ）において、簡易に説明するために、入射面１５ａおよび出射面１５ｄをレンズとして示している。

異なる波長のＲ、Ｇ、Ｂの光が凸面形状の入射面１５ａに入射すると、波長によって屈折力が異なるので、それぞれの波長の光の焦点距離が異なる。以下、波長の差が大きい青色のレーザ光Ｒｂと赤色のレーザ光Ｒｒについて説明する。入射面１５ａから入射した青色のレーザ光Ｒｂは焦点距離ｆｂ１の位置に中間結像位置ｐｘｂを形成する。中間結像位置ｐｘｂと出射面１５ｄの距離は、焦点距離ｆｂ２となる。また、入射面１５ａから入射した赤色のレーザ光Ｒｒは焦点距離ｆｒ１の位置に中間結像位置ｐｘｒを形成する。中間結像位置ｐｘｒと出射面１５ｄの距離は、焦点距離ｆｒ２となる。

入射面１５ａを通過した後の光の角度は焦点距離ｆｂ１、ｆｒ１でそれぞれ決まる。光の波長が短いほど屈折力が強くなるので、青色のレーザ光Ｒｂの焦点距離ｆｂ１の方が赤色のレーザ光Ｒａの焦点距離ｆｒ１よりも短い。これにより、色の違いによって倍率色収差が発生しやすくなる。したがって、青色のレーザ光Ｒｂの中間結像位置Ｐｘｂは、赤色の中間結像位置Ｐｘｒよりも入射面１５ａ側に位置する。

第１走査素子と第２走査素子の光路の間に中間結像位置を形成しない光学系であれば、この焦点距離ｆｂ１とｆｒ１との差が投射面１９に入射する角度のズレとなり倍率色収差が発生する。したがって、焦点距離ｆｂ１、ｆｒ１の差が大きい程、倍率色収差は大きくなる。しかしながら、実施形態１のように、第１走査素子１３と第２走査素子１７の光路の間に中間結像位置Ｐｘｂ、Ｐｘｒを形成していると、出射面１５ｄで発生する倍率色収差が入射面１５ａで発生する倍率色収差を補正する作用が働き、出射側の画角は、焦点距離ｆｂ１、ｆｒ１と、焦点距離ｆｂ２、ｆｒ２との比で決まる。

入射面１５ａと出射面１５ｄとは同じプリズムで同一の材料であるので、それぞれの焦点距離の比の差である、ｆｂ１／ｆｂ２とｆｒ１／ｆｒ２との差は、ｆｂ１とｆｒ１との差よりも小さい。これにより、第１走査素子と第２走査素子の光路の間に中間結像を形成しない光学系に対して、投射面１９に入射する光線の倍率色収差が小さくなる。なお、入射面１５ａから中間結像位置までの焦点距離と中間結像位置から出射面１５ｄまでの焦点距離が等しい（ｆｂ１＝ｆｂ２、ｆｒ１＝ｆｒ２）場合、倍率色収差はゼロになる。

また、図９に示すように、プリズム１５内部で色収差の発生しない反射面１５ｂおよび１５ｃを利用することで、入射面１５ａでの屈折力の違いを原因とする他の収差、例えば、軸上色収差や像面湾曲収差等の影響を補正することができる。入射面１５ａから入射したレーザ光Ｒは、屈折力の違いから各色の光に分光される。例えば、青色のレーザ光Ｒｂは、赤色のレーザ光Ｒｒの方よりも内側に大きく屈折される。したがって、青色のレーザ光Ｒｂと赤色のレーザ光Ｒｒとでは、反射面１５ｂ、１５ｃで反射する位置が異なる。赤色のレーザ光Ｒｒの方が、反射面１５ｂ、１５ｃの高い位置で反射するので、青色のレーザ光Ｒｂよりも大きく曲げられる作用が大きい。これにより、入射面１５ａで発生した角度差を低減することができ、出射面１５ｄから出射する光の色毎の角度差を抑制することが出来る。

なお、本実施形態において、光学系１は、Ｙ方向の中間結像位置Ｐｙを有していたが、図１０に示すようにＹ方向に中間結像作用を有しておらず、中間結像位置Ｐｙのない構成でもよい。この場合、第１反射面１５ｂで反射したレーザ光ＲのＹ成分Ｒｙが徐々に拡大するように、第１反射面１５ｂの曲率が設計されていてもよい。

なお、本実施形態において、第１走査素子１３を垂直方向のスキャナ、第２走査素子１７を水平方向のスキャナの組合せとしたが、第１走査素子１３を水平方向のスキャナ、第２走査素子１７を垂直方向のスキャナの組合せとしてもよい。これによって、入射面１５ａのサイズを小型することができる。

なお、本実施形態において、プリズム１５は、第１反射面１５ｂ、第２反射面１５ｃの２面の反射面を有しているが、第１反射面１５ｂだけを有していてもよいし、少なくとも２面以上の反射面を有していてもよい。

なお、本実施形態において、光学系１は、レーザ素子１１と、第１走査素子１３と、プリズム１５と、第２走査素子１７で構成されているが、屈折力を有する光学素子を追加してもよい。

なお、本実施形態において、中間結像位置Ｐｘはプリズム１５内に形成していたが、レーザ素子１１からプリズム１５の光路の間に、屈折力を有する光学素子を追加し、プリズム１５の外に中間結像位置Ｐｘを形成してもよい。

また、図４に示すように、入射面１５ａから第１反射面１５ｂまでの光路長をＬ１、第１反射面１５ｂから第２反射面１５ｃまでの光路長をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２の関係を満たす。この構成によれば、第１反射面１５ｂから第２反射面１５ｃまでの光路長が入射面１５ａから第１反射面１５ｂまでの光路長よりも長いので、図１に示すように、入射面１５ａを第２反射面１５ｃよりも第１反射面１５ｂ側（＋Ｚ方向側）に配置することができるので、第１走査素子１３も第１反射面１５ｂ側（＋Ｚ方向側）に配置することができる。この結果、光学系１全体のサイズを小型化することができる。

[１－２．効果等]
実施形態１に係る光学系１は、入射面１５ａと出射面１５ｄと１面以上の反射面１５ｂ、１５ｃとを有するプリズム１５を備える。また、光学系１は、入射する光を第１方向に走査してプリズム１５の入射面１５ａの方向へ反射する第１走査素子１３と、プリズム１５の出射面１５ｄから出射するレーザ光ＲをＸ方向と直交するＹ方向に走査する第２走査素子１７と、を備える。プリズム１５の入射面１５ａは、第１走査素子１３に対して凸面形状を有する。このような構成により、第１走査素子１３によりＸ方向に走査されたレーザ光Ｒがプリズム１５の入射面１５ａに入射すると、走査されて拡散されたレーザ光Ｒは入射面１５ａにより平行に近づくように屈折されるので、プリズム１５内を進行するレーザ光Ｒの光路の拡がりを抑制することができる。この結果、プリズム１５を小型化することができる。また、プリズム１５内にレーザ光Ｒを通すことで、プリズム１５のインデックス分だけ光路長を短縮することができ、光学系１を小型化することができる。

実施形態１に係る光学系１は、入射面１５ａと出射面１５ｄと１面以上の反射面１５ｂ、１５ｃとを有するプリズム１５を備える。また、光学系１は、入射する光を第１方向に走査してプリズム１５の入射面１５ａの方向へ反射する第１走査素子１３と、プリズム１５の出射面１５ｄから出射するレーザ光ＲをＸ方向と直交するＹ方向に走査する第２走査素子１７と、を備える。プリズム１５の出射面１５ｄは、第２走査素子１７に対して凸面形状を有する。このように、出射面１５ｄだけが凸面形状な構成であっても、プリズム１５の反射面１５ｃから出射面１５ｄに入射する光が平行に近い状態でありながら、第２走査素子１７に収束して入射させることができる。この結果、プリズム１５を小型化することができる。また、プリズム１５内にレーザ光Ｒを通すことで、プリズム１５のインデックス（屈折率）分だけ光路長を短縮することができ、光学系１を小型化することができる。

（実施形態２）
次に、図１１を用いて、実施形態２を説明する。
[２－１．構成]
図１１は、実施形態２に係る光学系１Ａの構成を示す図である。図１１に示すように、本実施の形態の光学系１Ａは、実施形態１の光学系１に、さらに、レーザ素子１１に対して、第１走査素子１３と第２走査素子１７の走査と同期して、それぞれの波長の発光タイミングを波長ごとにずらす制御を実施する制御部２１を備える。これらの相違点以外の構成について、実施形態１に係る光学系１と本実施の形態の光学系１Ａとは共通である。

レーザ素子１１は、例えば、波長の異なるＲ、Ｇ、Ｂの光束のレーザ光Ｒｒ、Ｒｇ、Ｒｂをタイミングをずらして順次出射する。制御部２１は、第１走査素子１３と第２走査素子１７の走査タイミングに同期して、各色のレーザ光Ｒｒ、Ｒｇ、Ｒｂの出射タイミングを制御する。これにより、投射面１９に投射する像が色収差によりずれるのをより低減することができる。

制御部２１は、半導体素子などで実現可能である。制御部２１は、例えば、マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣで構成することができる。制御部２１の機能は、ハードウェアのみで構成してもよいし、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせることにより実現してもよい。制御部２１は、ハードディスク（ＨＤＤ）、ＳＳＤ、メモリ等の記憶部を有しており、記憶部に格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、所定の機能を実現する。

[２－２．効果等]
制御部２１を備える光学系１Ａは、第１走査素子１３と第２走査素子１７の走査タイミングに応じて、各色のレーザ光Ｒｒ、Ｒｇ、Ｒｂの出射タイミングを制御するので、投射面１９に投射される像の色収差によるずれを補正することができる。

（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１および２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施形態１および２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。

実施形態１、２では、プリズム１５の出射面１５ｄも凸面形状であったが、これに限定されるものではない。プリズム１５の出射面１５ｄは、非凸面形状でもよく、例えば、図１２に示すように、平板形状でもよい。このように、プリズム１５の入射面１５ａだけが第１走査素子１３の走査方向に対して凸面形状を有する構成でもよい。この場合、第２反射面１５ｃで反射した光が出射面１５ｄを通って第２走査素子１７に集光するように第２反射面１５ｃおよび出射面１５ｄが設計される。

また、入射するレーザ光Ｒに対して第１反射面１５ｂの傾斜方向によって、プリズム１５のサイズを調整することができる。図１３Ａは、プリズム１５の第１反射面１５ｂの周辺部を示している。図１３Ａに示すように、第１走査素子１３の走査軸および第１反射面１５ｂに入射するレーザ光Ｒを含む平面において、入射するレーザ光Ｒに対して第１反射面１５ｂが傾斜しない場合、プリズム１５のＹ方向のサイズが小さくなる。例えば、ＹＺ平面において第１反射面１５ｂに入射するレーザ光Ｒの入射角θが０°もしくは０°に近い場合、プリズム１５のＹ方向のサイズが小さくなる。一方、この場合、図１３Ｂに示すように、第１走査素子１３の走査軸と直交する平面であるＸＺ平面において、第１反射面１５での入射角Φは、第１走査素子１３の走査方向（Ｘ方向）に大きくなるので、プリズム１５のＸ方向のサイズは大型化する。

これに対して、図１４Ａに示すように、第１走査素子１３の走査軸および第１反射面１５ｂに入射するレーザ光Ｒを含む平面において、入射するレーザ光Ｒに対して第１反射面１５ｂが傾斜する場合図１３Ｂの入射角Φと比べて、入射角θを小さくできるため、プリズム１５のＹ方向のサイズの大型化を抑えることができる。例えば、図１４Ａに示すように、ＹＺ平面において第１反射面１５ｂが入射するレーザ光Ｒに対して傾斜していると、すなわち、ＹＺ平面においてレーザ光Ｒが第１反射面１５に対して入射角θで反射する場合、プリズム１５のＹ方向のサイズの大型化を抑えることができる。また、図１４Ｂに示すように、ＸＺ平面において、第１走査素子１３の走査方向（Ｘ方向）における第１反射面１５での入射角Φを０°にすることもでき、Ｘ方向のサイズを小型化することができる。

このように、第１反射面１５ｂは、入射するレーザ光Ｒを第１走査素子１３の走査方向（X方向）と直交する方向に反射する。第１反射面１５ｂでのレーザ光Ｒの反射方向と垂直な方向に第１走査素子１３を走査することで、光学系１を小型化に構成することができる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

（実施形態の概要）
（１）本開示の光学系は、入射面と出射面と１面以上の反射面とを有するプリズムと、入射する光を第１方向に走査してプリズムの入射面の方向へ反射する第１走査素子と、プリズムの出射面から出射する光を第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、プリズムの入射面は、第１走査素子に対して凸面形状を有する。

このように、第１走査素子により第１方向に走査された光がプリズムの入射面に入射すると、走査されて拡散された光は入射面により平行に近づくように屈折されるので、プリズム内を進行する光の光路の拡がりを抑制する。これにより、プリズムを小型化することができる。

（２）（１）の光学系において、プリズムの入射面は、第１走査素子の走査する第１方向に対して凸面形状を有する、回転非対称面である。

（３）（１）または（２）において、プリズムの入射面は、第１走査素子の走査する第１方向よりも非走査方向への屈折力が小さい。

（４）（１）ないし（３）のいずれか１つの光学系において、第１走査素子と前記第２走査素子の光路の間に第１方向の光の光束の第１中間結像位置を有する。

（５）（１）ないし（３）のいずれか１つの光学系において、プリズムの内部に第１方向の前記光の光束の第１中間結像位置を有する。

（６）（４）または（５）の光学系において、第１中間結像位置は、第１方向と直交する第２方向の光の光束の第２中間結像位置と異なる。このように、プリズム内において、第１方向の光束の第１中間結像位置が第２方向の光束の第２中間結像位置になっていないので、プリズム内の第１方向の光束の第１中間結像位置の一部に傷やゴミが存在しても、第１方向の光束への影響を低減することができる。

（７）（４）または（５）の光学系において、第１方向と直交する第２方向の光の光束に対して中間結像が行われない。このように、プリズム内において、第１方向の光束の中間結像位置が第２方向の光束の中間結像位置になっていないので、プリズム内の第１方向の光束の中間結像位置の一部に傷やゴミが存在しても、第１方向の光束への影響を低減することができる。

（８）（１）ないし（７）のいずれか１つの光学系において、プリズムの出射面は、第２走査素子に対して凸面形状を有する。

（９）（８）の光学系において、プリズムの出射面は、第２走査素子の走査する第２方向に対して凸面形状を有する、回転非対称面である。

（１０）（８）または（９）の光学系において、プリズムの出射面は、第２走査素子の走査する第２方向よりも非走査方向への屈折力が小さい。

（１１）（１）ないし（１０）のいずれか１つの光学系において、第１走査素子に光としてレーザ光を照射するレーザ素子を備える。

（１２）（１１）の光学系において、前記レーザ素子は、複数の波長の前記レーザ光を照射する。このように、レーザ素子が複数の波長のレーザ光を照射したとしても、プリズム内で入射したレーザ光を中間結像するので、波長の違いによる色収差を低減することができる。

（１３）（１２）の光学系において、レーザ素子に対して、第１走査素子と第２走査素子の走査と同期して、それぞれの波長の発光タイミングを波長ごとにずらす制御を実施する制御部を備える。これにより、第２走査素子により走査された光により投射面に投射される像の色収差によるずれを補正することができる。

（１４）また、本開示の光学系は、入射面と出射面と１面以上の反射面とを有するプリズムと、入射する光を第１方向に走査してプリズムの入射面の方向へ反射する第１走査素子と、プリズムの出射面から出射する光を第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、プリズムの出射面は、第２走査素子に対して凸面形状を有する。

このように、プリズムの出射面から第２方向に光を走査する第２走査素子に出射すると、光は出射面に対して平行に近い状態から第２走査素子に収束するようにプリズムから出射する。これにより、プリズムを小型化することができる。

（１５）（１４）の光学系において、プリズムの出射面は、第２走査素子の走査する第２方向に対して凸面形状を有する、回転非対称面である。

（１６）（１４）または（１５）のいずれか１つの光学系において、プリズムの出射面は、第２走査素子の走査する第２方向よりも非走査方向への屈折力が小さい。

（１７）（１４）ないし（１６）のいずれか１つの光学系において、第１走査素子と第２走査素子の光路の間に第１方向の光の光束の第１中間結像位置を有する。

（１８）（１４）ないし（１６）のいずれか１つの光学系において、プリズムの内部に第１方向の前記光の光束の第１中間結像位置を有する。

（１９）（１７）または（１８）の光学系において、第１中間結像位置は、第１方向と直交する第２方向の光の光束の第２中間結像位置と異なる。

（２０）（１７）または（１８）の光学系において、第１方向と直交する第２方向の光の光束に対して中間結像が行われない。

（２１）（１４）ないし（２０）のいずれか１つの光学系において、第１走査素子に光としてレーザ光を照射するレーザ素子を備える。

（２２）（２１）の光学系において、レーザ素子は、複数の波長のレーザ光を照射する。

（２３）（２２）の光学系において、レーザ素子に対して、第１走査素子と第２走査素子の走査と同期して、それぞれの波長の発光タイミングを波長ごとにずらす制御を実施する制御部を備える。これにより、第２走査素子により走査された光により投射面に投射される像の色収差によるずれを補正することができる。

（２４）（１）の光学系において、プリズムは、入射面から出射された光を反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光を反射する第２反射面と、を有し、前記入射面から前記第１反射面までの光路長をＬ１、前記第１反射面から前記第２反射面までの光路長をＬ２としたとき、
Ｌ１＜Ｌ２
を満たす。

第１反射面から第２反射面までの光路長が入射面から第１反射面までの光路長よりも長いので、入射面を第２反射面よりも第１反射面側に配置することができる。これにより、第１走査素子も第１反射面側に配置することができ、光学系全体のサイズを小型化することができる。

（２５）また、本開示の光学系は、入射面と出射面と１面以上の反射面とを有するプリズムと、入射する光を第１方向に走査してプリズムの入射面の方向へ反射する第１走査素子と、プリズムの出射面から出射する光を第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、プリズムは、入射面から出射された光を反射する第１反射面と、第１反射面で反射された光を反射する第２反射面と、を有し、入射面から第１反射面までの光路長をＬ１、第１反射面から第２反射面までの光路長をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２を満たす。

第１反射面から第２反射面までの光路長が入射面から第１反射面までの光路長よりも長いので、入射面を第２反射面よりも第１反射面側に配置することができるので、第１走査素子も第１反射面側に配置することができる。この結果、光学系全体のサイズを小型化することができる。

（２６）（２５）の光学系において、第１反射面は、第１走査素子の走査軸と入射面を透過した光とを含む平面において、入射する光に対して傾斜している。これにより、第１走査素子の走査軸の方向へ光を反射することができ、プリズムを小型化することができる。

本開示は、プリズムなどの屈折光学系を用いた光学装置に適用可能である。

１光学系
１１レーザ素子
１１ａ瞳径
１３第１走査素子
１５プリズム
１５ａ入射面
１５ｂ第１反射面
１５ｃ第２反射面
１５ｄ出射面
１７第２走査素子
１９投射面
２１制御部

Claims

入射する光を第１方向に走査して反射する第１走査素子と、
前記第１走査素子が反射した前記光を入射する入射面と、出射面と、１面以上の反射面とを有するプリズムと、
前記プリズムの前記出射面から出射する前記光を前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、
前記プリズムの前記入射面は、前記第１走査素子が反射した前記光の入射方向に対して凸面形状を有する、
光学系。
前記プリズムの前記入射面は、前記第１走査素子の走査する前記第１方向に対して凸面形状を有する、回転非対称面である、
請求項１に記載の光学系。
前記プリズムの前記入射面は、前記第１走査素子の走査する前第１方向よりも非走査方向への屈折力が小さい、
請求項１または２に記載の光学系。
前記第１走査素子と前記第２走査素子の光路の間に前記第１方向の前記光の光束の第１中間結像位置を有する、
請求項１から３のいずれか１つに記載の光学系。
前記プリズムの内部に前記第１方向の前記光の光束の第１中間結像位置を有する、
請求項１から３のいずれか１つに記載の光学系。
前記第１中間結像位置は、前記第１方向と直交する第２方向の前記光の光束の第２中間結像位置と異なる、
請求項４または５に記載の光学系。
前記第１方向と直交する第２方向の前記光の光束に対して中間結像が行われない、
請求項４または５に記載の光学系。
前記プリズムの前記出射面は、前記出射面から出射した光の出射方向に凸面形状を有する、
請求項１から７のいずれか１つに記載の光学系。
前記プリズムの前記出射面は、前記第２走査素子の走査する前記第２方向に対して凸面形状を有する、回転非対称面である、
請求項８に記載の光学系。
前記プリズムの前記出射面は、前記第２走査素子の走査する前記第２方向よりも非走査方向への屈折力が小さい、
請求項８または９に記載の光学系。
前記第１走査素子に前記光としてレーザ光を照射するレーザ素子を備える、
請求項１から１０のいずれか１つに記載の光学系。
前記レーザ素子は、複数の波長の前記レーザ光を照射する、
請求項１１に記載の光学系。
前記レーザ素子に対して、前記第１走査素子と前記第２走査素子の走査と同期して、それぞれの波長の発光タイミングを波長ごとにずらす制御を実施する制御部を備える、
請求項１２に記載の光学系。
入射する光を第１方向に走査して反射する第１走査素子と、
前記第１走査素子が反射した前記光を入射する入射面と、出射面と、１面以上の反射面とを有するプリズムと、
前記プリズムの前記出射面から出射する前記光を前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、
前記プリズムの前記出射面は、前記出射面から出射した光の出射方向に凸面形状を有する、
光学系。
前記プリズムの前記出射面は、前記第２走査素子の走査する前記第２方向に対して凸面形状を有する、回転非対称面である、
請求項１４に記載の光学系。
前記プリズムの前記出射面は、前記第２走査素子の走査する前第２方向よりも非走査方向への屈折力が小さい、
請求項１４または１５に記載の光学系。
前記第１走査素子と前記第２走査素子の光路の間に前記第１方向の前記光の光束の第１中間結像位置を有する、
請求項１４から１６のいずれか１つに記載の光学系。
前記プリズムの内部に前記第１方向の前記光の光束の第１中間結像位置を有する、
請求項１４から１６のいずれか１つに記載の光学系。
前記第１中間結像位置は、前記第１方向と直交する第２方向の前記光の光束の第２中間結像位置と異なる、
請求項１７または１８に記載の光学系。
前記第１方向と直交する第２方向の前記光の光束に対して中間結像が行われない、
請求項１７または１８に記載の光学系。
前記第１走査素子に前記光としてレーザ光を照射するレーザ素子を備える、
請求項１４から２０のいずれか１つに記載の光学系。
前記レーザ素子は、複数の波長の前記レーザ光を照射する、
請求項２１に記載の光学系。
前記レーザ素子に対して、前記第１走査素子と前記第２走査素子の走査と同期して、それぞれの波長の発光タイミングを波長ごとにずらす制御を実施する制御部を備える、
請求項２２に記載の光学系。
前記プリズムは、前記入射面から入射した光を反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光を反射する第２反射面と、を有し、前記入射面から前記第１反射面までの光路長をＬ１、前記第１反射面から前記第２反射面までの光路長をＬ２としたとき、
Ｌ１＜Ｌ２
を満たす、
請求項１に記載の光学系。
入射する光を第１方向に走査して反射する第１走査素子と、
前記第１走査素子が反射した前記光を入射する入射面と、出射面と、１面以上の反射面とを有するプリズムと、
前記プリズムの前記出射面から出射する前記光を前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査素子と、を備え、
前記プリズムは、前記入射面から入射した光を反射する第１反射面と、前記第１反射面で反射された光を反射する第２反射面と、を有し、前記入射面から前記第１反射面までの光路長をＬ１、前記第１反射面から前記第２反射面までの光路長をＬ２としたとき、
Ｌ１＜Ｌ２
を満たすことにより、前記第１方向及び前記第２方向と直交する方向において前記入射面を前記第２反射面よりも前記第１反射面側に配置する、
光学系。
前記第１反射面は、前記第１走査素子の走査軸と前記入射面を透過した光とを含む平面において、入射する光に対して傾斜している、
請求項２５に記載の光学系。