JPH1184291A - 走査光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い走査角を有し、等速度運動する光ビーム
を形成することが可能で、テレセントリック性を達成す
ることも可能で、結像性能の高い走査光学系。 【解決手段】 走査対象面５上で１つの走査方向に沿っ
て光を偏向させる作用を持った光偏向器３と、光偏向器
３と走査対象面５との間に配置されかつ瞳面２０を光偏
向器３に略一致させると共に像面を走査対象面５に略一
致させた光学部材４とを有した走査光学系であり、光学
部材４が、光束に正のパワーを与える少なくとも１つの
反射面１２を含み、その反射面１２は偏心収差を補正す
る作用を持った面内面外共に回転対称軸を有さない非回
転対称面にて形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査光学系に関
し、特に、偏向器によって光を偏向させる走査光学系、
それを用いた走査光学装置及び画像表示装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】走査光学系の従来の周知なものの１つと
して、特許第２，６０４，５１３号のものがある。この
走査光学系は、光源からの光ビームを第１結像光学系に
て副走査方向にのみ集光させ、偏向器によって光ビーム
を偏向し、偏向器近傍の前側レンズ群と被走査面近傍の
後側レンズ群によって構成される第２結像光学系によっ
て被走査面上をテレセントリックに照射させるものであ
る。

【０００３】また、走査光学系の他の周知なものとし
て、特開平９−１２７４１０号のものがある。この走査
光学系は、３群からなり、第１群は変形トロイダル面を
有するメニスカスレンズ、第２群は正レンズ、第３群は
略走査面の走査幅の長さを有するトロイダル面を有する
レンズによって構成されている。

【０００４】また、光を偏向走査して観察者の眼球に投
影する画像表示装置の従来の周知なものとして、本出願
人の特開平７−２１８８４９号のものがある。この画像
表示装置は、１次元アレイの発光素子から射出した光を
偏向器によって偏向し、観察者の眼球に投影するもので
ある。

【０００５】また、この他の光を偏向走査して観察者の
眼球に投影する画像表示装置に、特開平４−１６８４７
５号、米国特許第５，００３，３００号のものがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特許第
２，６０４，５１３号及び特開平９−１２７４１０号で
は、光学系を構成する光学素子として３枚以上用いてい
る。したがって、光学素子の数が多いため、組立の工程
は複雑になり、コストの高いものになる。さらに、走査
面の直前に非常に大きなレンズを配備しているため、光
学系全体は大きなものになる。

【０００７】また、上記特開平７−２１８８４９号、特
開平４−１６８４７５号、米国特許第５，００３，３０
０号に開示された画像表示装置においては、光ビームを
走査面で結像する作用を有する光学系としか記述がな
く、走査光学系における具体的な特徴は開示されていな
い。

【０００８】本発明は従来技術のこのような状況に鑑み
てなされたものであり、その目的は、１つの光学素子に
よって構成された走査光学系を用いながらも非常に広い
走査角を有し、走査光学系の特徴である偏向器の特性に
よって決る走査特性を良好に補正すること、すなわち、
偏向器の種類に関わらず走査面上では等速度運動する光
ビームを形成することが可能であり、また、高精度な描
画のために必要なテレセントリック性を達成することも
可能であり、さらに、１次元走査のみではなく２次元の
走査領域において上記特性を有し、さらに、結像性能の
高い走査光学系を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の走査光学系は、少なくとも走査対象面上での
１つの走査方向に沿って光を偏向させる作用を持った光
偏向器と、前記光偏向器と前記走査対象面との間に配置
されかつ瞳面を前記光偏向器に略一致させると共に像面
を前記走査対象面に略一致させた光学部材とを有した走
査光学系において、前記光学部材が、光束に正のパワー
を与える少なくとも１つの反射面を含み、その反射面は
偏心収差を補正する作用を持った面内面外共に回転対称
軸を有さない非回転対称面にて形成されていることを特
徴とするものである。

【００１０】本発明のもう１つの走査光学系は、少なく
とも走査対象面上での１つの走査方向に沿って光を偏向
させる作用を持った光偏向器と、前記光偏向器と前記走
査対象面との間に配置されかつ瞳面を前記光偏向器に略
一致させると共に像面を前記走査対象面に略一致させた
光学部材とを有した走査光学系において、前記光学部材
が、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質にて
形成されたプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、
少なくともプリズム内の光束を反射する作用を持った反
射面と、少なくともプリズムに光束を入射若しくは射出
する作用を持った透過面とを有し、前記反射面と前記透
過面の少なくとも一方の面は、偏心収差を補正する作用
を持った面内面外共に回転対称軸を有さない非回転対称
面にて形成されていることを特徴とするものである。

【００１１】本発明のさらにもう１つの走査光学系は、
少なくとも走査対象面上での１つの走査方向に沿って光
を偏向させる作用を持った光偏向器と、前記光偏向器と
前記走査対象面との間に配置されかつ瞳面を前記光偏向
器に略一致させると共に像面を前記走査対象面に略一致
させた光学部材とを有した走査光学系において、前記光
学部材が、反射又は透過の光学作用を持った少なくとも
３つの面とその３つの面に挟まれた屈折率（ｎ）が１よ
りも大きい（ｎ＞１）媒質とを有するプリズム部材を含
み、前記３つの面の中、少なくとも１つの面がプリズム
内の光束を反射する作用を持った反射面にて形成される
と共に、前記反射面と媒質を挟んで対向配置されている
面が前記反射面との間に光路を折り畳む作用を持った折
り返し光路を形成するように反射作用と透過作用とを併
せて持もように構成され、さらに、前記３つの面の中、
少なくとも１面は偏心収差を補正する作用を持った面内
面外共に回転対称軸を有しない非回転対称面にて形成さ
れていることを特徴とするものである。

【００１２】以下に、本発明において上記のような構成
をとる理由と作用について説明する。本発明の走査光学
系を図１に例示する。図１において、走査光学素子４
は、光軸２１に対して偏心しており後記する（ａ）式で
定義される非回転対称な非球面である自由曲面からなる
第１面１１、第２面１２、第３面１３からなり、この３
面１１〜１３によって構成される空間が屈折率が１より
大きい光学的に透明な媒質で満たされてなる偏心プリズ
ムである。

【００１３】実際の光線経路は、光源１から射出した光
はコリメーター２によって略平行光となり、偏向器３に
入射する。偏向器３は、図１の場合、等角速度運動して
いる回転多面体であるポリゴンスキャナーであり、入射
光はその回転する反射面によって偏向走査されて第１面
１１で屈折して走査光学素子４に入射する。走査光学素
子４に入射した光は第２面１２で内部反射し、その内部
反射後に第３面１３で屈折して走査光学素子４から射出
し、走査面５上に集光して走査される。

【００１４】以下の説明において用いる座標系について
説明する。図１に示すように、走査中心を照射するとき
のポリゴンミラー反射位置を走査光学素子４の入射瞳２
０位置としている。入射瞳２０中心を通り走査面５の中
心に到達する軸上主光線が瞳２０を射出し走査光学素子
４の第１面１１に交差するまでの直線によって定義され
る軸２１をＺ軸とし、このＺ軸と直交し、かつ、走査光
学素子４を構成する各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義す
る。また、光軸２１と直交し、かつ、Ｙ軸と直交する軸
をＸ軸とする。

【００１５】本発明による走査光学系は、少なくとも正
のパワーを有する反射面を用いることで、光学系の光路
を折り曲げ、装置全体をコンパクトにし、また、正のパ
ワーを有する反射面によって屈折系に比べて発生する収
差を小さくすることができる。また、反射面を光軸に対
して偏心させることで、偏向器と走査面の干渉を防ぎ、
さらに面内面外共に回転対称軸を有さない非回転対称面
とすることで偏心収差を良好に補正している。

【００１６】さて、一般にカメラ等で用いられる球面レ
ンズ系では、球面で発生する球面収差とコマ収差、像面
湾曲等の収差を他の面で補正する構成になっている。そ
こで、構成する面に非球面を用いることによって、この
レンズ系で発生する各種収差を少なくし、構成する面数
を少なくすることが可能となる。これは非球面における
収差補正の効果が絶大であるためであり、１面で球面数
枚の収差補正効果が得られるためである。

【００１７】一方、本発明の走査光学系のように光軸に
対して傾いたあるいは偏心した面を用いた光学系におい
ては、従来の回転対称非球面では補正できない偏心によ
る収差が発生する。偏心により発生する収差は、コマ収
差、非点収差、像歪み、像面湾曲等がある。

【００１８】本発明は、光源から射出した光を照射面に
照射する走査光学素子を、少なくとも２面で構成された
偏心プリズムで構成し、上記した偏心による諸収差を同
時にしかも良好に補正するために、非回転対称な面であ
る自由曲面あるいはアナモルフィック面を使用してい
る。

【００１９】ここで、本発明の走査光学系において用い
ている自由曲面とは、例えば以下の式で定義されるもの
である。その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。 Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ ｙ＋Ｃ₄ ｘ ＋Ｃ₅ ｙ² ＋Ｃ₆ ｙｘ＋Ｃ₇ ｘ² ＋Ｃ₈ ｙ³ ＋Ｃ₉ ｙ² ｘ＋Ｃ₁₀ｙｘ² ＋Ｃ₁₁ｘ³ ＋Ｃ₁₂ｙ⁴ ＋Ｃ₁₃ｙ³ ｘ＋Ｃ₁₄ｙ² ｘ² ＋Ｃ₁₅ｙｘ³ ＋Ｃ₁₆ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇ｙ⁵ ＋Ｃ₁₈ｙ⁴ ｘ＋Ｃ₁₉ｙ³ ｘ² ＋Ｃ₂₀ｙ² ｘ³ ＋Ｃ₂₁ｙｘ⁴ ＋Ｃ₂₂ｘ⁵ ＋Ｃ₂₃ｙ⁶ ＋Ｃ₂₄ｙ⁵ ｘ＋Ｃ₂₅ｙ⁴ ｘ² ＋Ｃ₂₆ｙ³ ｘ³ ＋Ｃ₂₇ｙ² ｘ⁴ ＋Ｃ₂₈ｙｘ⁵ ＋Ｃ₂₉ｘ⁶ +C₃₀ｙ⁷ ＋Ｃ₃₁ｙ⁶ ｘ＋Ｃ₃₂ｙ⁵ ｘ² ＋Ｃ₃₃ｙ⁴ ｘ³ ＋Ｃ₃₄ｙ³ ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅ｙ² ｘ⁵ ＋Ｃ₃₆ｙｘ⁶ ＋Ｃ₃₇ｘ⁷ ・・・・・ ・・・（ａ） ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、Ｃ_m （ｍは２以上の整数）は係数である。

【００２０】また、本発明の走査光学系においては、偏
心した回転非対称面形状を有する反射作用面の少なくと
も１面は、対称面を１つのみ有する面対称自由曲面を使
用することが望ましい。上記式（ａ）で表される自由曲
面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持
つことはないが、本発明ではｘの奇数次項を全て０にす
ることによって、Ｙ−Ｚ面（図１の面）と平行な対称面
が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義
式（ａ）においては、Ｃ₄ ，Ｃ₆ ，Ｃ₉ ，Ｃ₁₁，Ｃ₁₃，
Ｃ₁₅，Ｃ₁₈，Ｃ₂₀，Ｃ₂₂，Ｃ₂₄，Ｃ₂₆，Ｃ₂₈，Ｃ₃₁，Ｃ
₃₃，Ｃ₃₅，Ｃ₃₇，・・・の各項の係数を０にすることに
よって可能である。

【００２１】また、ｙの奇数次項を全て０にすることに
よって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自
由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、
Ｃ₃，Ｃ₆ ，Ｃ₈ ，Ｃ₁₀，Ｃ₁₃，Ｃ₁₅，Ｃ₁₇，Ｃ₁₉，Ｃ
₂₁，Ｃ₂₄，Ｃ₂₆，Ｃ₂₈，Ｃ₃₀，Ｃ₃₂，Ｃ₃₄，Ｃ₃₆，・・
・の各項の係数を０にすることによって可能であり、ま
た、以上のような対称面を持つことにより製作性を向上
することが可能となる。

【００２２】上記Ｙ−Ｚ面と平行な対称面、Ｘ−Ｚ面と
平行な対称面の何れか一方を対称面とすることにより、
偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正す
ることが可能となる。上記定義式は、１つの例として示
したものであり、他のいかなる定義式に対しても同じ効
果が得られることは言うまでもない。

【００２３】また、本発明の走査光学系において用いて
いるアナモルフィック面とは、例えば以下の式で定義さ
れるものである。その定義式のＺ軸がアナモルフィック
面の軸となる。 ただし、Ｚは面形状の原点に対する接平面からのずれ
量、ＣＸはＸ軸方向曲率、ＣＹはＹ軸方向曲率、Ｋ_x は
Ｘ軸方向円錐係数、Ｋ_y はＹ軸方向円錐係数、Ｒ_nは非
球面項回転対称成分、Ｐ_n は非球面項回転非対称成分で
ある。

【００２４】例として、ｎ＝４（４次項）を考えると、 Ｚ＝（ＣＸ・ｘ² ＋ＣＹ・ｙ² ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ_x ）ＣＸ² ・ｘ² −（１＋Ｋ_y ）ＣＹ² ・ｙ² ｝^1/2 ］ ＋Ｒ１｛（１−Ｐ１）ｘ² ＋（１＋Ｐ１）ｙ² ｝² ＋Ｒ２｛（１−Ｐ２）ｘ² ＋（１＋Ｐ２）ｙ² ｝³ ＋Ｒ３｛（１−Ｐ３）ｘ² ＋（１＋Ｐ３）ｙ² ｝⁴ ＋Ｒ４｛（１−Ｐ４）ｘ² ＋（１＋Ｐ４）ｙ² ｝⁵ ・・・（ｃ） なお、後記する実施例の構成パラメータでは、 Ｒx ：Ｘ軸方向曲率半径 Ｒy ：Ｙ軸方向曲率半径 を用いており、曲率ＣＸ、ＣＹとの間には、 Ｒx ＝１／ＣＸ，Ｒy ＝１／ＣＹ の関係にある。

【００２５】本発明の走査光学素子４は、少なくとも２
面（図１に示した例においては３面）で形成された空間
を屈折率が１よりも大きい（例えば、１．５）光学媒質
で満たされているため、入射瞳２０から射出した光は第
１面１１から走査光学素子４に入射する際にスネルの法
則に従って屈折する。したがって、ある角度で射出した
光は第１面１１において屈折されて走査光学素子４に入
射されるため、光学系の主な正のパワーを有する第２面
１２あるいは第３面１３に入射する光線高を低く設定す
ることが可能となる。そのため、光学系をコンパクトに
構成することと同時に、大きな開口数（ＮＡ）を実現す
ることができる。

【００２６】以下に、各面の働きについて説明する。 （入射面）本発明の走査光学系においては、透過面であ
る第１面１１を入射瞳２０に対して凸面にすることが重
要である。ポリゴンミラー３の反射位置である入射瞳２
０から射出した光線は、走査光学素子４である偏心プリ
ズムの第１面１１に屈折して入射する。この第１面１１
が凸面であれば正のパワーを有することになり、入射瞳
２０から大きな画角で射出した軸外光線が反射面である
第２面１２に入射する光線高を低く抑えることができ
る。したがって、広い画角を確保すると共に、小型軽量
の光学系を実現することができる。さらに、光軸上の光
束、あるいは、軸外光束の何れかの光束における従属光
線も同様に第２面１２における光線高を低く抑えること
になり、光軸に対して偏心した反射面１２で発生するコ
マ収差を良好に補正する効果が生じる。

【００２７】（反射面）本発明の走査光学系において主
な正のパワーを有するのは、凹面鏡の作用を有する図１
（実施例１）における第２面１２、又は、図４（実施例
４）における第３面１３である。この面は軸上主光線に
対して偏心するか傾いて配備されているため、軸上にお
いてもコマ収差が発生する。また、同様に偏心による非
点収差、ディストーション等の収差も発生する。偏心に
よるコマ収差に対しては、第２面１２を偏心した非球面
とする、あるいは、偏心した非回転対称非球面とするこ
とによって、Ｙ−Ｚ面内の非対称性を適切に設定され補
正することが可能となる。また、軸上でも発生する非点
隔差の補正には、非回転対称な非球面とすることで、Ｙ
−Ｚ面内のパワーとＹ−Ｚ面に直交する面であるＸ−Ｚ
面内のパワーを適切に変えて補正することが可能とな
る。さらに、偏心によるディストーションは反射面を上
記の自由曲面（より具体的には、面内面外共に回転対称
軸を有さない非回転対称な自由曲面）に設定することに
よって、第３面１３における光線高の差により適切に面
の傾きが設定され補正することが可能となる。

【００２８】（射出面）また、第２面１２を自由曲面
（より具体的には、面内面外共に回転対称軸を有さない
非回転対称な自由曲面）で構成することによって、偏心
によるコマ収差の発生を抑えることができる。これは、
第１面１１で光線が屈折作用する場合に、軸上主光線に
対して面を傾いて配置することで、偏心によるコマ収差
を補正することが可能となるためである。さらに、本発
明において、第２面１２（図４）は走査面５に面した面
でもある。走査面５に近接した屈折面である第２面１２
を自由曲面にすることによって、像歪みの発生を補正す
ることができる。これは、屈折面が走査面５に近接して
配置されているために、他の収差を悪化させることなく
像歪みを補正するのに良い結果を与えるためである。

【００２９】図４に、本発明のもう１つの走査光学系を
示す。ただし、図４では、走査光学素子４の入射瞳２０
近傍に配置される偏向器３であるポリゴンミラー、光源
１、コリメーター２（図１）の図示は省かれ、走査光学
素子４とその像面である走査面５のみが図示されてい
る。

【００３０】図４において、走査光学素子４は、光源１
から射出した光が入射する面である第１面１１、その第
１面１１に対向した反射作用と透過作用を有する面であ
る第２面１２、反射面である第３面１３によって構成さ
れ、この３面１１〜１３によって構成される空間が屈折
率が１より大きい光学的に透明な媒質で満たされてなる
偏心プリズムである。図４において、走査光学素子４を
構成する各面の形状は、第１面１１、第２面１２、第３
面１３共に前記（ａ）式で表される回転非対称な非球面
である自由曲面である。

【００３１】実際の光線経路は、入射瞳２０からの光
は、走査光学素子４の入射面である第１面１１から入射
し、第２面１２で内部反射する。この際、走査光が射出
する領域Ｓｔにおける反射角は臨界角以上になるように
設定されており、第２面１２の領域Ｓｔで全反射するこ
とになる。一方、走査光が射出しない部分Ｃｏでは、臨
界角より小さい反射角で反射する光も存在するため、そ
の表面にはアルミニウム等の反射率の高いコーティング
が施されている。第２面１２で内部反射した後は第３面
１３において反射され、再び第２面１２において屈折し
て走査光学系４から射出し、走査面５を走査する。

【００３２】また、本発明の走査光学系においては、後
記の実施例４に示すように、テレセントリックな走査が
可能である。したがって、レーザプリンタ等の書き込み
用として用いた場合、例えば走査面である感光ドラムの
振動によって走査位置が変化しても走査スポットの位置
変動は略ゼロであり、高精細な描写が可能である。ま
た、走査面上の画像を取り込む場合においても、同様
に、取り込む画像と走査光学系との間に光軸方向のずれ
があっても、走査スポットの位置変動は略ゼロとなり、
高精細な画像の取り込みができる。

【００３３】その場合、走査面の法線に対しての偏向光
の主光線傾角をγとした場合、 γ≦５° ・・・（１−１） なる条件を満たすことが、高精細な書き込みを行う場合
に重要である。上記条件の５°を越えて偏向光の主光線
傾角γが大きくなると、走査面の光軸方向のずれによっ
て起こる走査スポットの位置変動が大きくなり、高精細
の画像描画が困難になる。

【００３４】さらに、 γ≦２° ・・・（１−２） なる条件を満たすことが望ましい。

【００３５】また、さらに、 γ≦１° ・・・（１−３） なる条件を満たすことがより望ましい。

【００３６】ところで、後記する実施例４、５（図４、
図５）の場合の走査光学素子４の射出面である第２面１
２は 、光源から射出した光を第３面１３側に内部反射
させる反射作用と、第３面１３で反射した後走査面５へ
射出する透過作用とを有する。図４に示したＣｏ部にお
いては、透過領域と反射領域が重ならないため、反射コ
ーティングを施してもよい。したがって、その領域Ｃｏ
における光の反射角に条件は必要ない。しかし、図４の
Ｓｔ部においては、透過領域と反射領域が重なり合って
いるため、反射コーティングを施すことができない。し
たがって、この透過領域と反射領域が重なり合っている
領域における内部反射は全反射とする必要があるため、
反射角は臨界角以上が必要となる。

【００３７】つまり、Ｓｔ部における光の反射角をθ、
光学系の媒質の屈折率をｎとした場合、 θ≧ｓｉｎ^-1（１／ｎ） ・・・（２） なる条件を満たしていることが重要となる。

【００３８】上記のように設定することによって、光源
から射出した光線が走査光学素子４における内部反射面
と走査光学素子４から射出する射出面とが同一の面の第
２面１２にて構成することが、走査光学系の小型化、低
コスト化、広画角化に有効に作用する。光源から射出し
た光線が走査光学素子４に入射した後、反射する反射面
と、走査光学素子４から射出する射出面を１面で構成し
ているため、２つの面における作用を１面で行うことに
なる。そのため、光学系を構成する面数を削減すること
になり、製造コストを低くすることが可能である。

【００３９】さらに、第２面１２で反射と射出を同時に
行うことによって、広い画角を達成し、偏心による収差
の補正を有効に行うことが可能となる。一般に、凹面鏡
に入射する光線の入射角が大きくなればなる程偏心によ
るコマ収差が大きく発生する。反射面と射出面を１面で
構成することで、反射面と射出面を分離する必要がなく
なるため、１回目の反射面である第２面１２と２回目の
反射面である第３面１３のなす角度をあまり大きくする
必要がなく、第２面１２は射出面でもあるため、第３面
１３に近接して配置することができる。したがって、第
３面１３での反射角をあまり大きくすることがなくな
り、第３面１３における偏心収差、特にコマ収差の発生
を低減することが可能となる。

【００４０】また、第２面１２は、走査面５に対して凹
面であることが好ましい。入射瞳２０から射出した光
は、第２面１２の一部において全反射をする必要があ
る。第２面１２の形状が走査面５に対して凹面であれ
ば、内部反射角を大きくとることができるため、全反射
に有利に作用する。

【００４１】さらに、第２面１２は光軸に対して偏心し
たあるいは傾いた非球面であることが望ましい。図４に
示すように、本発明の走査光学系においては、構成する
各面が光軸に対して偏心あるいは傾いている。したがっ
て、それぞれの面で偏心による収差が大きく発生するこ
とになる。この場合、第２面１２をＹ−Ｚ面内（図４の
面内）において非対称なパワーを有するように設定する
ことで、偏心による収差の補正に有利に作用する。

【００４２】さらに、第２面１２は光軸に対して偏心し
たあるいは傾いた非回転対称な非球面であることが望ま
しい。非回転対称な非球面によれば、Ｙ−Ｚ面内におけ
るパワーの非対称性をより適切に設定することが可能と
なる。したがって、偏心による収差の補正を一層良好に
行うことが可能となる。

【００４３】さらに好ましくは、光学部品製作性を考慮
すると、非回転対称な非球面として用いる自由曲面の面
数は必要最低限にすることが望ましい。そこで、走査光
学素子４を構成する面の中で少なくとも１つの面を平面
若しくは球面又は偏心した回転対称面にすることによっ
て、製作性を上げることが可能となる。

【００４４】そして、本発明の走査光学系においては、
走査光学素子４を構成する面の形状を、その面内及び面
外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面を１つのみ
有する自由曲面としている。これは、例えば図１のよう
に座標系をとった場合に、偏心して配置される面の偏心
方向を含む面であるＹ−Ｚ面が対称面となるような自由
曲面とすることで、走査面５の像もそのＹ−Ｚ面を対称
面として両側で対称にすることができ、収差補正の労力
が大幅に削減できるためである。

【００４５】なお、本発明における反射作用を有する反
射面には、全反射面、ミラーコート面、半透過反射面等
の反射作用を有する全ての反射面が含まれる。

【００４６】ところで、例えば図１のような配置の走査
光学系において、偏向器３としては、等角速度運動をす
るポリゴンミラー又は正弦振動するガルバノミラーが用
いられる。ポリゴンミラーを用いる場合は、走査面５上
の像高をＹa とし、ポリゴンミラーによる偏向角をθa
とすると、走査光学素子４の焦点距離をｆa とすると
き、 Ｙa ＝ｆa ×θa ・・・（３） なるｆ−θ特性を満足する必要があり、ガルバノミラー
を用いる場合は、走査面５上の像高をＹb とし、ポリゴ
ンミラーによる偏向角をθb とし、走査光学素子４の焦
点距離をｆb とするとき、 Ｙb ＝ｆb × sin^-1θb ・・・（４） なるｆ−ａｒｃｓｉｎθ特性を満足する必要がある。

【００４７】これらの場合、走査面５上の理想的な像高
をＹ（上記Ｙa 又はＹb ）とし、偏向器３の偏向角をθ
（上記θa 又はθb ）とし、走査光学素子４の焦点距離
をｆ（上記ｆa 又はｆb ）とし、各像高における実像高
をＹ' とし、 Ｌ＝｛（Ｙ' −Ｙ）／Ｙ｝×１００ とした場合、 −１０＜Ｌ＜１０ ・・・（５−１） なる条件を満たすことが望ましい。

【００４８】さらに、 −５＜Ｌ＜５ ・・・（５−２） なる条件を満たすことが望ましい。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下に、まず、本発明の走査光学
系の走査光学素子の実施例１〜５について説明する。後
述する各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示
すように、走査光学素子４の入射瞳２０を光学系の原点
として、光軸２１を走査面５の走査中心と入射瞳２０の
中心（原点）とを通る光線で定義し、入射瞳２０から光
軸２１に進む方向をＺ軸方向、このＺ軸に直交し入射瞳
２０中心を通り、光線が走査光学系４によって折り曲げ
られる面内の方向をＹ軸方向、Ｚ軸、Ｙ軸に直交し入射
瞳２０中心を通る方向をＸ軸方向とし、入射瞳２０から
走査光学素子４に向かう方向をＺ軸の正方向、光軸２１
から第２面１２による反射方向と反対方向をＹ軸の正方
向、そして、これらＺ軸、Ｙ軸と右手系を構成する方向
をＸ軸の正方向（紙面の表から裏へ向かう方向）とす
る。

【００５０】そして、偏心が与えられている面について
は、その面の面頂位置の走査光学素子４の原点である入
射瞳２０の中心からのＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の
偏心量と、その面の中心軸（自由曲面、アナモルフィッ
ク面については、それぞれ前記の（ａ）式、（ｃ）式の
Ｚ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角
（それぞれα、β、γ（°））とが与えられている。な
お、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対
しての反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対しての
時計回りを意味する。その他、球面の曲率半径、媒質の
屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。な
お、面間隔については、意味を有しない。

【００５１】また、自由曲面及びアナモルフィック面の
形状は前記の（ａ）式、（ｃ）式により与えられる。な
お、データの記載されていない非球面に関する項は０で
ある。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎ
ｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍで
ある。

【００５２】実施例１の走査光学系の光軸２１を含むＹ
−Ｚ断面図を図１に示す。また、実施例２〜５の走査光
学系の光軸２１を含むＹ−Ｚ断面図をそれぞれ図２〜図
５に示す。ただし、図２〜図５では、走査光学素子４の
入射瞳２０近傍に配置される偏向器３であるポリゴンミ
ラー（実施例３〜５）あるいはガルバノミラー（実施例
２）、光源１、コリメーター２（図１）の図示は省か
れ、走査光学素子４とその像面である走査面５のみが図
示されている。

【００５３】実施例１〜３の走査光学素子４の実際の光
線経路は、入射瞳２０に対向して偏心配置された透過面
である第１面１１を経て光学素子４に入射した入射瞳２
０からの光は、第２面１２で反射し、透過面である第３
面１３を透過して光学素子４から射出して、走査面５上
に偏向走査され結像する。そして、実施例１、２におい
ては、第１面１１、第２面１２、第３面１３共、前記式
（ａ）で表される自由曲面からなり、実施例３において
は、第１面１１は球面、第２面１２は前記式（ｃ）で表
されるアナモルフィック面、第３面１３は平面からな
る。

【００５４】実施例４〜５の走査光学素子４の実際の光
線経路は、入射瞳２０に対向して偏心配置された透過面
である第１面１１を経て光学素子４に入射した入射瞳２
０からの光は、第２面１２で反射し、反射面である第３
面１３で反射をして再び第２面１２に入射し、その面を
透過して光学素子４から射出して、走査面５上に偏向走
査され結像する。そして、実施例４においては、第１面
１１、第２面１２、第３面１３共、前記式（ａ）で表さ
れる自由曲面からなり、実施例５においては、第１面１
１は前記式（ｃ）で表されるアナモルフィック面、第２
面１２、第３面１３は前記式（ａ）で表される自由曲面
からなる。

【００５５】なお、これら実施例の走査光学系のテレセ
ントリック性とｆ−θ特性あるいはｆ−ａｒｃｓｉｎθ
特性については、実施例１は非テレセントリックでｆ−
θ特性を有し、実施例２は非テレセントリックでｆ−ａ
ｒｃｓｉｎθ特性を有し、実施例３は非テレセントリッ
クでｆ−θ特性を有し、実施例４はテレセントリックで
ｆ−θ特性を有し、実施例５は非テレセントリックでｆ
−θ特性を有するものであり、実施例４においては、走
査面５側の光線の主光線傾角は全フィールドにおいて１
°以下である。

【００５６】実施例１〜５の走査角は、水平画角５０
°、垂直画角５０°、瞳径は２ｍｍである。また、設計
における波長は７８０nmとしている。したがって、後記
する光学性能評価（図６〜図１９）もその波長で行って
いる。

【００５７】以下に、上記実施例１〜５の構成パラメー
タを示す。 実施例１ 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 1 ∞（瞳） 2 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面[2] 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面[3] 偏心(3) 像 面 ∞ 偏心(4) 自由曲面[1] Ｃ₅ -4.8016×10^-4 Ｃ₇ 8.6980×10^-3 Ｃ₈ 1.2913×10^-4 Ｃ₁₀ 4.9016×10^-4 Ｃ₁₂ 5.2440×10^-6 Ｃ₁₄ 2.0718×10^-5 Ｃ₁₆ -8.7250×10^-6 Ｃ₁₇ -5.7677×10^-7 Ｃ₁₉ -1.0466×10^-6 Ｃ₂₁ -1.2531×10^-6 自由曲面[2] Ｃ₅ -2.1158×10^-3 Ｃ₇ 1.0217×10^-3 Ｃ₈ 1.7242×10^-5 Ｃ₁₀ 7.8968×10^-5 Ｃ₁₂ 2.1179×10^-7 Ｃ₁₄ 5.4927×10^-8 Ｃ₁₆ -1.9478×10^-6 Ｃ₁₇ 5.2871×10^-9 Ｃ₁₉ -1.7131×10^-8 Ｃ₂₁ -9.0602×10^-8 自由曲面[3] Ｃ₅ 8.2367×10^-4 Ｃ₇ 1.2107×10^-2 Ｃ₈ 5.7483×10^-5 Ｃ₁₀ -3.6856×10^-5 Ｃ₁₂ -8.9385×10^-6 Ｃ₁₄ -2.3857×10^-5 C₁₆ -5.4732×10^-6 Ｃ₁₇ 1.0573×10^-8 Ｃ₁₉ -2.9250×10^-7 Ｃ₂₁ -8.1585×10^-8 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 3.96 Ｚ 11.58 α -8.87 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 8.55 Ｚ 17.54 α 36.71 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -8.89 Ｚ 15.75 α 72.89 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -57.58 Ｚ 2.75 α 69.94 β 0.00 γ 0.00 。

【００５８】 実施例２ 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 1 ∞（瞳） 2 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面[2] 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面[3] 偏心(3) 像 面 ∞ 偏心(4) 自由曲面[1] Ｃ₅ 7.0640×10^-3 Ｃ₇ 1.1622×10^-2 Ｃ₈ -1.7099×10^-4 Ｃ₁₀ -3.6911×10^-4 Ｃ₁₂ -9.5686×10^-6 Ｃ₁₄ 1.4307×10^-5 Ｃ₁₆ -6.2808×10^-6 Ｃ₁₇ 1.8902×10^-7 Ｃ₁₉ 2.1324×10^-7 Ｃ₂₁ -9.7690×10^-9 自由曲面[2] Ｃ₅ -2.0850×10^-3 Ｃ₇ 1.6281×10^-3 Ｃ₈ -1.4776×10^-6 C₉ -5.4542×10^-8 Ｃ₁₀ 1.0378×10^-4 Ｃ₁₁ 6.4851×10^-16 Ｃ₁₂ -2.0248×10^-7 Ｃ₁₃ 6.4465×10^-16 Ｃ₁₄ 3.0770×10^-6 Ｃ₁₅ 6.5567×10^-16 Ｃ₁₆ -6.4314×10^-7 Ｃ₁₇ -6.2432×10^-9 Ｃ₁₈ 1.5995×10^-15 Ｃ₁₉ 2.4451×10^-8 Ｃ₂₀ -2.2270×10^-16 Ｃ₂₁ -4.9969×10^-8 Ｃ₂₂ 4.7328×10^-16 自由曲面[3] Ｃ₅ 1.2827×10^-3 Ｃ₇ 1.1672×10^-2 Ｃ₈ 3.2122×10^-4 Ｃ₁₀ 1.4157×10^-4 Ｃ₁₂ 3.9063×10^-6 Ｃ₁₄ 8.1477×10^-8 Ｃ₁₆ 5.4968×10^-7 Ｃ₁₇ -1.9431×10^-7 Ｃ₁₉ -1.5782×10^-7 Ｃ₂₁ -1.0820×10^-7 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ -9.59 Ｚ 13.31 α -9.51 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 7.66 Ｚ 21.11 α 45.95 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -15.45 Ｚ 27.92 α 77.67 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -62.51 Ｚ 35.89 α 103.09 β 0.00 γ 0.00 。

【００５９】 実施例３ 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 1 ∞（瞳） 2 37.06 偏心(1) 1.5254 56.2 3 アナモルフィック面 偏心(2) 1.5254 56.2 4 ∞ 偏心(3) 像 面 ∞ 偏心(4) アナモルフィック面 Ｒx -573.99 Ｒy -754.83 Ｋ_x 0.0000 Ｋ_y 0.0000 Ｒ１ 4.8872×10^-12 Ｒ２ 1.8474×10^-8 Ｐ１ 2.4417×10² Ｐ２ -1.9898×10^-1 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.43 Ｚ 5.27 α -8.18 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -3.62 Ｚ 20.11 α 30.17 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -13.65 Ｚ 23.68 α 69.77 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ -42.39 Ｚ -4.98 α 62.16 β 0.00 γ 0.00 。

【００６０】 実施例４ 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 1 ∞（瞳） 2 自由曲面[1] 偏心(1) 1.4922 57.5 3 自由曲面[2] 偏心(2) 1.4922 57.5 4 自由曲面[3] 偏心(3) 1.4922 57.5 5 自由曲面[2] 偏心(2) 像 面 ∞ 偏心(4) 自由曲面[1] Ｃ₅ 1.3216×10^-2 Ｃ₇ 1.0983×10^-2 Ｃ₈ 1.8434×10^-5 Ｃ₁₀ -9.7410×10^-5 Ｃ₁₂ 2.8685×10^-6 Ｃ₁₄ 3.3720×10^-7 Ｃ₁₆ 1.7210×10^-7 自由曲面[2] Ｃ₅ 1.7556×10^-3 Ｃ₇ 1.4101×10^-3 Ｃ₈ -2.1040×10^-5 Ｃ₁₀ 1.0257×10^-5 Ｃ₁₂ 5.8539×10^-7 Ｃ₁₄ 1.2612×10^-6 Ｃ₁₆ 1.0858×10^-6 Ｃ₁₇ -2.9119×10^-9 Ｃ₁₉ -5.8219×10^-8 Ｃ₂₁ -9.7945×10^-8 自由曲面[3] Ｃ₅ 6.7166×10^-4 Ｃ₇ 3.3358×10^-3 Ｃ₈ -1.3144×10^-4 Ｃ₁₀ -1.7089×10^-4 Ｃ₁₂ -1.9431×10^-6 Ｃ₁₄ -4.1346×10^-6 Ｃ₁₆ -1.4930×10^-6 Ｃ₁₇ -1.3440×10^-8 Ｃ₁₉ -3.1193×10^-8 Ｃ₂₁ -3.5606×10^-8 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 3.14 Ｚ 12.61 α 2.61 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -7.26 Ｚ 38.60 α 47.74 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 0.19 Ｚ -0.17 α 54.76 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 9.86 Ｚ 48.85 α 55.78 β 0.00 γ 0.00 。

【００６１】 実施例５ 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 1 ∞（瞳） 2 アナモルフィック面 偏心(1) 1.4922 57.5 3 自由曲面[1] 偏心(2) 1.4922 57.5 4 自由曲面[2] 偏心(3) 1.4922 57.5 5 自由曲面[1] 偏心(2) 像 面 ∞ 偏心(4) アナモルフィック面 Ｒx 51.22 Ｒy 52.01 Ｋ_x 0.0000 Ｋ_y 0.0000 Ｒ１ 5.7849×10^-7 Ｒ２ 5.5372×10^-9 Ｐ１ -1.2561 Ｐ２ -3.0154×10^-1 自由曲面[1] Ｃ₅ 1.5917×10^-3 Ｃ₇ 2.0371×10^-3 Ｃ₈ 2.9993×10^-5 Ｃ₁₀ 1.0611×10^-4 Ｃ₁₂ 6.1126×10^-7 Ｃ₁₄ 3.3450×10^-6 Ｃ₁₆ 2.1509×10^-6 Ｃ₁₇ -2.7798×10^-8 Ｃ₁₉ -1.0444×10^-7 Ｃ₂₁ -1.4947×10^-7 自由曲面[2] Ｃ₅ 1.6642×10^-3 Ｃ₇ 5.6364×10^-3 Ｃ₈ -1.0328×10^-4 Ｃ₁₀ -1.3112×10^-4 Ｃ₁₂ -4.9940×10^-7 Ｃ₁₄ -6.1522×10^-6 Ｃ₁₆ -2.1597×10^-6 Ｃ₁₇ 1.3701×10^-8 Ｃ₁₉ -2.4901×10^-8 Ｃ₂₁ -2.4620×10^-8 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 12.25 Ｚ 5.93 α -8.61 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ -9.46 Ｚ 25.31 α 50.13 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ 1.52 Ｚ -3.06 α 54.76 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 16.47 Ｚ 53.58 α 37.94 β 0.00 γ 0.00 。

【００６２】図６（ａ），（ｂ）に実施例１のｆ−θ特
性を示す。図（ａ）にはＸ方向、図（ｂ）にはＹ方向の
ｆ−θ特性を示している。図７（ａ），（ｂ）に実施例
２のｆ−ａｒｃｓｉｎθ特性を示す。図（ａ）にはＸ方
向、図（ｂ）にはＹ方向のｆ−ａｒｃｓｉｎθ特性を示
している。図８（ａ），（ｂ）に実施例４のｆ−θ特性
を示す。図（ａ）にはＸ方向、図（ｂ）にはＹ方向のｆ
−θ特性を示している。また、図９（ａ），（ｂ）に実
施例５の同様のｆ−θ特性を示している。これらの図に
おいて、横軸は像高Ｙ、縦軸は（５−１）で与えられる
リニアリティＬである。

【００６３】また、図１０に実施例１の像面湾曲を、図
１１に実施例２の像面湾曲を、図１２に実施例４の像面
湾曲を、図１３に実施例５の像面湾曲をそれぞれ示す。
これらの図において、横軸は像高Ｙ、縦軸はフォーカス
位置であり、□点を結ぶ曲線はＹ方向フォーカスを、◇
点を結ぶ曲線はＸ方向フォーカスを示している。

【００６４】また、図１４〜図１６に実施例１の横収差
を、図１７〜図１９に実施例４の横収差を示す。これら
の横収差図において、括弧内に示された数字は（Ｘ方向
画角，Ｙ方向画角）を表し、その画角における横収差を
示す。

【００６５】以上の実施例の本発明による走査光学系に
おいては、走査光学素子４を構成する面の形状を、その
面内及び面外共に回転対称軸を有せず、しかも、対称面
を１つのみ有する自由曲面としているものがある（実施
例１、２、４、５）。これは、例えば図１のように座標
系をとった場合に、偏心して配置される面の偏心方向を
含む面であるＹ−Ｚ面が対称面となるような自由曲面と
することで、結像面５の像もそのＹ−Ｚ面が対称面とし
て両側で対称にすることができ、収差補正の労力が大幅
に削減できるためである。

【００６６】次に、図２０に、本発明の走査光学系をレ
ーザビームプリンタ（ＬＢＰ）に適用した場合の構成図
を示す。不図示の光源１から射出しコリメーター２によ
って略平行光となったコリメート光（図１参照）は、偏
向器３であるポリゴンスキャナーに入射し、その反射面
で偏向された光線は走査光学素子４によって走査面５に
位置する感光ドラム上に集光されて走査する。走査面５
に２次元画像を書き込む場合には、例えば、上記した構
成において、コリメート光が偏向器３であるポリゴンス
キャナーに入射する前に、ポリゴンスキャナーの偏向面
に直交する面内に偏向させる第２の偏向器（例えば、振
動ミラー）を配備することで可能となる。なお、この例
において、走査光学素子４は、例えば図４のような像側
テレセントリックな光学系であり、第１面１１は球面、
反射作用と透過作用を有する面である第２面１２及び反
射面である第３面１３は自由曲面からなり、偏向器３に
よる偏向角は約７０°である。

【００６７】図２１に読み込み装置（例えば、スキャナ
ー）に本発明の走査光学系を適用した場合の構成図を示
す。取り込む画像の走査線５１に沿う位置から射出した
光は、例えば図５のような走査光学素子４によって取り
込まれ、ポリゴンスキャナー３で偏向されて１方向に進
行する略平行光となる。その光は集光する作用を有する
集光光学系５２によって光検出器５３に導かれて画像が
映像信号として取り込まれる。

【００６８】図２２に２次元画像に対応した場合の構成
図を示す。２次元画像５０を２次元走査して取り込む場
合には、図２１の構成で、ポリゴンスキャナー３に入射
した後、ポリゴンスキャナー３の偏向面に直交する面内
に偏向させる第２の偏向器であるガルバノメータスキャ
ナー３１を追加配置すればよい。

【００６９】次に、本発明の走査光学系を画像表示装置
に適用した場合の１例の構成図を図２３に示す。外部か
らの映像信号に従ってコントローラによって変調された
光を射出する光源として、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂ（赤、緑、
青）のレーザあるいはＬＥＤ１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ等を配置
する。３原色の光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの光はコリメ
ーター（図示せず）によって略平行光となり、２枚のハ
ーフミラー７によって同軸にアライメントされて１本の
光ビームとなり、この光ビームはＸ方向に偏向する第１
偏向器（図示せず。図２２参照）によって偏向され、第
２偏向器３のポリゴンミラーによってＹ方向に偏向され
て走査光学素子４の第１面１１から入射する。走査光学
素子４に入射した光は第２面１２で内部反射し、第３面
１３で反射して、今度は第２面１２で屈折して射出し、
中間像位置４０に観察されるべき１次像である中間像を
形成する。この像を接眼光学系６によって観察者の瞳４
１を経て網膜上に結像させることで、拡大した虚像を観
察することができる。ここで、図２３に示した接眼光学
系６としては、本出願人が例えば特開平８−３１３８２
９号で提案した３つの光学面６１〜６３で囲まれた屈折
率が１より大きい媒質からなる偏心光学系を用いてお
り、中間像からの光束は、その第３面６３からその偏心
光学系内に入射させ、次に、その内部で第１面６１で全
反射させ、次いで、凹面鏡の第２面６２で内部反射さ
せ、今度は第１面６１を経て偏心光学系外に射出させ、
その中間像を観察者眼球に導くものである。

【００７０】なお、図２３の配置において、光源に１次
元の広がりを持つもの、例えばＬＥＤアレイを用いる
と、偏向するのが１方向のみでよいため、第１偏向器を
省くことができ、上述した構成に比べてシンプルで小型
にすることができる。なお、図２３の中間像位置４０に
拡散板等の透過型スクリーンを配置してもよい。

【００７１】また、図２４に示すように、光源１を左右
１つずつ合計２つにし、偏向器３の２つの反射面に同時
にその２つの光源１からのコリーメト光を入射させるよ
うにすることで、１つの偏向器３によって観察者の両眼
に画像を投影することができる。この場合は、コリメー
ター２、走査光学素子４、接眼光学系６がそれぞれ左右
一対配置されている。

【００７２】図２５に図２３に類似した画像表示装置の
要部構成図を示す。ただし、光源１から第２偏向器３ま
では図２３の場合と同様であるため、図示していない。
走査光学素子４の入射瞳２０位置にポリゴンミラーある
いはガルバノミラーからなる第２偏向器３が配置され、
その偏向器３の反射面で偏向された光は、走査光学素子
４の第１面１１から入射し、第２面１２で内部反射さ
れ、第３面１３で反射されて、今度は第２面１２で屈折
して射出し、中間像位置４０に観察されるべき１次像で
ある中間像を形成する。この中間像は空中にでも光学媒
質内にでも形成できるため、図２５に示されるように、
接眼光学系６の偏心光学系内に形成することが可能であ
る。そのため、通常の表示素子を用いる場合、あるい
は、図２３のように空中に１次像を形成する場合に比べ
て、この例の場合、接眼光学系６の焦点距離を短くする
ことが可能となり、さらに広い画角を実現することがで
きる。なお、この実施例の場合も、接眼光学系６として
は、本出願人が例えば特開平８−３１３８２９号で提案
した３つの光学面６１〜６３で囲まれた屈折率が１より
大きい媒質からなる偏心光学系を用いている。

【００７３】図２５の実施例において、走査光学素子４
は例えば実施例４に示したものを用いているため、その
構成パラメータをここでは示さないが、以下に、接眼光
学系６の構成パラメータを示す。ただし、その第３面６
３は平面であり、下記の構成パラメータ中では省いてあ
る。次の構成パラメータ中、面番号は観察者瞳４１位置
から中間像面４０までの逆光線追跡によって表してあ
る。座標のとり方は図１〜図５と同様であるが、観察者
瞳４１の中心を原点としている。この実施例では、接眼
光学系６の媒質内に中間像を形成しているため、水平画
角５０°、垂直画角３８．６°、射出瞳径４ｍｍを達成
している。

【００７４】 ＜接眼光学系の構成パラメータ＞ 面番号 曲率半径 間隔 偏心 屈折率 アッベ数 1 ∞（瞳） 偏心(1) 2 自由曲面[1] 偏心(2) 1.4922 57.5 3 自由曲面[2] 偏心(3) 1.4922 57.5 4 自由曲面[1] 偏心(2) 1.4922 57.5 像 面 ∞ 偏心(4) 自由曲面[1] Ｃ5 4.7905×10^-4 Ｃ7 -1.1555×10^-2 Ｃ8 -5.5074×10^-5 Ｃ10 -3.2531×10^-4 Ｃ12 -2.6285×10^-6 Ｃ14 2.5769×10^-6 Ｃ16 4.2178×10^-6 Ｃ17 -8.2599×10^-8 Ｃ19 9.8187×10^-8 Ｃ21 1.6093×10^-7 自由曲面[2] Ｃ5 -5.0708×10^-3 Ｃ7 -8.6294×10^-3 Ｃ8 -4.6135×10^-5 Ｃ10 -4.9564×10^-5 Ｃ12 9.0372×10^-7 Ｃ14 1.1106×10^-6 Ｃ16 -1.9738×10^-7 Ｃ17 -2.1466×10^-8 Ｃ19 -4.7149×10^-8 Ｃ21 -1.3733×10^-8 偏心(1) Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) Ｘ 0.00 Ｙ 5.90 Ｚ 48.09 α 2.60 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) Ｘ 0.00 Ｙ -8.27 Ｚ 64.68 α -23.98 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) Ｘ 0.00 Ｙ 27.84 Ｚ 57.55 α 44.24 β 0.00 γ 0.00 。

【００７５】なお、図２５の画像表示装置は、中間像
（実像）を形成するものならば、走査光学系以外のどの
ような形態のものでも同様の効果が得られることは言う
までもない。例えば、原画像として液晶表示素子を用
い、リレー光学系によって中間像を形成し、その中間像
を接眼光学系６によって観察者眼球に投影する画像表示
装置においても、この中間像を接眼光学系６の光学媒質
内に形成するようにすることで同様の効果が得られる。

【００７６】以上の本発明の走査光学系、走査光学装置
及びそれを用いた画像表示装置は、例えば次のように構
成することができる。 〔１〕 少なくとも走査対象面上での１つの走査方向に
沿って光を偏向させる作用を持った光偏向器と、前記光
偏向器と前記走査対象面との間に配置されかつ瞳面を前
記光偏向器に略一致させると共に像面を前記走査対象面
に略一致させた光学部材とを有した走査光学系におい
て、前記光学部材が、光束に正のパワーを与える少なく
とも１つの反射面を含み、その反射面は偏心収差を補正
する作用を持った面内面外共に回転対称軸を有さない非
回転対称面にて形成されていることを特徴とする走査光
学系。

【００７７】〔２〕 少なくとも走査対象面上での１つ
の走査方向に沿って光を偏向させる作用を持った光偏向
器と、前記光偏向器と前記走査対象面との間に配置され
かつ瞳面を前記光偏向器に略一致させると共に像面を前
記走査対象面に略一致させた光学部材とを有した走査光
学系において、前記光学部材が、屈折率（ｎ）が１より
も大きい（ｎ＞１）媒質にて形成されたプリズム部材を
含み、前記プリズム部材は、少なくともプリズム内の光
束を反射する作用を持った反射面と、少なくともプリズ
ムに光束を入射若しくは射出する作用を持った透過面と
を有し、前記反射面と前記透過面の少なくとも一方の面
は、偏心収差を補正する作用を持った面内面外共に回転
対称軸を有さない非回転対称面にて形成されていること
を特徴とする走査光学系。

【００７８】〔３〕 少なくとも走査対象面上での１つ
の走査方向に沿って光を偏向させる作用を持った光偏向
器と、前記光偏向器と前記走査対象面との間に配置され
かつ瞳面を前記光偏向器に略一致させると共に像面を前
記走査対象面に略一致させた光学部材とを有した走査光
学系において、前記光学部材が、反射又は透過の光学作
用を持った少なくとも３つの面とその３つの面に挟まれ
た屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質とを有
するプリズム部材を含み、前記３つの面の中、少なくと
も１つの面がプリズム内の光束を反射する作用を持った
反射面にて形成されると共に、前記反射面と媒質を挟ん
で対向配置されている面が前記反射面との間に光路を折
り畳む作用を持った折り返し光路を形成するように反射
作用と透過作用とを併せて持もように構成され、さら
に、前記３つの面の中、少なくとも１面は偏心収差を補
正する作用を持った面内面外共に回転対称軸を有しない
非回転対称面にて形成されていることを特徴とする走査
光学系。

【００７９】〔４〕 上記〔３〕において、前記走査光
学系は、前記走査対象面側の光線が略テレセントリック
となるように構成されていることを特徴とする走査光学
系。

【００８０】〔５〕 上記〔１〕から〔４〕の何れか１
項において、前記非回転対称面は、対称面が２つ存在す
るアナモルフィック面にて形成されていることを特徴と
する走査光学系。

【００８１】〔６〕 上記〔１〕から〔４〕の何れか１
項において、前記非回転対称面は、対称面が１つのみ存
在する自由曲面にて形成されていることを特徴とする走
査光学系。

【００８２】〔７〕 上記〔１〕から〔６〕の何れか１
項において、前記光学部材は、前記偏向器によって光束
が偏向される方向におけるパワーと、その方向と垂直な
方向におけるパワーとが異なるように構成されているこ
とを特徴とする走査光学系。

【００８３】〔８〕 上記〔３〕又は〔４〕において、
前記プリズム部材が、少なくとも透過面、透過作用と反
射作用を併せ持つ面、反射面の３面から構成され、プリ
ズム内部の光路が、前記透過面側から追跡して、前記透
過面を透過し、前記透過作用と反射作用を併せ持つ面に
て反射され、前記反射面にて反射された後、前記透過作
用と反射作用を併せ持つ面を透過するように、前記３つ
の面が配置されていることを特徴とする走査光学系。

【００８４】

〔９〕 上記〔３〕、〔４〕又は〔８〕に
おいて、前記透過作用と反射作用を併せ持つ面は、プリ
ズム内の光束の少なくとも一部を全反射させるように構
成することによって、反射作用と透過作用とを形成して
いることを特徴とする走査光学系。

【００８５】〔１０〕 上記〔１〕から

〔９〕の何れか
１項において、前記プリズム部材の光学作用面の中、前
記偏向器に最も隣接した面が、正のパワーを有する面に
て形成されていることを特徴とする走査光学系。

【００８６】〔１１〕 上記〔１〕から〔１０〕の何れ
か１項において、前記走査対象面上の像高をＹa とし、
前記偏向器の偏向角をθa とし、前記光学部材の焦点距
離をｆa とするとき、 Ｙa ＝ｆa ×θa ・・・（３） なる関係を満足することを特徴とする走査光学系。

【００８７】〔１２〕 上記〔１〕から〔１０〕の何れ
か１項において、前記走査対象面上の像高をＹb とし、
前記偏向器の偏向角をθb とし、前記光学部材の焦点距
離をｆb とするとき、 Ｙb ＝ｆb × sin^-1θb ・・・（４） なる関係を満足することを特徴とする走査光学系。

【００８８】〔１３〕 上記〔１〕から〔１２〕の何れ
か１項において、前記走査対象面上の像高をＹとし、前
記偏向器の偏向角をθとし、前記光学部材の焦点距離を
ｆとし、各像高における実像高をＹ' とし、Ｌ＝
｛（Ｙ' −Ｙ）／Ｙ｝×１００とした場合、 −１０＜Ｌ＜１０ ・・・（５−１） なる条件を満たすことを特徴とする走査光学系。

【００８９】〔１４〕 上記〔１２〕において、 −５＜Ｌ＜５ ・・・（５−２） なる条件を満たすことを特徴とする走査光学系。

【００９０】〔１５〕 上記〔１〕から〔１４〕の何れ
か１項において、前記走査対象面は１次元であることを
特徴とする走査光学系。

【００９１】〔１６〕 上記〔１〕から〔１４〕の何れ
か１項において、前記走査対象面は２次元であることを
特徴とする走査光学系。

【００９２】〔１７〕 上記〔３〕から〔１６〕の何れ
か１項において、前記走査対象面の法線に対しての偏向
光の主光線傾角をγとした場合、 γ≦５° ・・・（１−１） なる条件を満たすことを特徴とする走査光学系。

【００９３】〔１８〕 上記〔１７〕において、 γ≦２° ・・・（１−２） なる条件を満たすことを特徴とする走査光学系。

【００９４】〔１９〕 上記〔１８〕において、 γ≦１° ・・・（１−３） なる条件を満たすことを特徴とする走査光学系。

【００９５】〔２０〕 光源から射出した光が偏向器に
よって偏向され、走査光学系を介して走査面に照射され
る走査光学装置において、前記走査光学系は、少なくと
も１方向に光を偏向する偏向器と前記光を走査させる走
査面との間に配置され、少なくとも２面で構成され、そ
の少なくとも２面で形成された空間を屈折率が１より大
きい媒質によって満たされており、少なくとも１面は反
射面であり、前記の少なくとも２面の中、少なくとも１
面は光軸に対して偏心した非球面であることを特徴とす
る走査光学装置。

【００９６】〔２１〕 上記〔２０〕において、前記走
査光学系は、少なくとも１方向に光を偏向する偏向器と
前記光を走査させる走査面との間に配置され、少なくと
も３面で構成され、その少なくとも３面で形成された空
間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされてお
り、１面は反射面であり、他の１面は反射作用と透過作
用とを有する面であり、前記の少なくとも３面の中、少
なくとも１面は光軸に対して偏心した非球面であること
を特徴とする走査光学装置。

【００９７】〔２２〕 上記〔２０〕又は〔２１〕にお
いて、前記の少なくとも１面は回転非対称な非球面であ
ることを特徴とする走査光学装置。

【００９８】〔２３〕 上記〔２０〕又は〔２１〕にお
いて、前記の少なくとも１面は自由曲面であることを特
徴とする走査光学装置。

【００９９】〔２４〕 上記〔２０〕から〔２３〕の何
れか１項において、前記光源はレーザであることを特徴
とする走査光学装置。

【０１００】〔２５〕 上記〔２０〕から〔２４〕の何
れか１項において、前記偏向器に入射する光は、前記光
源から発する光がコリメートされた平行光であることを
特徴とする走査光学装置。

【０１０１】〔２６〕 上記〔２０〕から〔２５〕の何
れか１項において、前記偏向器に入射する光は、前記の
面の偏心方向とそれに直交する方向において、前記光の
大きさが異なることを特徴とする走査光学装置。

【０１０２】〔２７〕 上記〔２０〕から〔２６〕の何
れか１項において、前記偏向器は前記の面の偏心方向と
それに直交する方向の２次元に偏向させるものであるこ
とを特徴とする走査光学装置。

【０１０３】〔２８〕 上記〔２０〕から〔２６〕の何
れか１項において、前記偏向器に入射する光は、１次元
の発光素子列から射出されたものであることを特徴とす
る走査光学装置。

【０１０４】〔２９〕 １次元画像あるいは２次元画像
から射出した光が走査光学系を介し偏向器によって偏向
され、１方向に進行する光ビームとなり光検出器に入射
される走査光学装置において、前記走査光学系は、少な
くとも１方向に光を偏向する偏向器と前記光を走査させ
る走査面との間に配置され、少なくとも２面で構成さ
れ、その少なくとも２面で形成された空間を屈折率が１
より大きい媒質によって満たされており、少なくとも１
面は反射面であり、前記の少なくとも２面の中、少なく
とも１面は光軸に対して偏心した非球面であることを特
徴とする走査光学装置。

【０１０５】〔３０〕 上記〔２９〕において、前記走
査光学系は、少なくとも１方向に光を偏向する偏向器と
前記光を走査させる走査面との間に配置され、少なくと
も３面で構成され、その少なくとも３面で形成された空
間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされてお
り、１面は反射面であり、他の１面は反射作用と透過作
用とを有する面であり、前記の少なくとも３面の中、少
なくとも１面は光軸に対して偏心した非球面であること
を特徴とする走査光学装置。

【０１０６】〔３１〕 上記〔２９〕又は〔３０〕にお
いて、前記の少なくとも１面は回転非対称な非球面であ
ることを特徴とする走査光学装置。

【０１０７】〔３２〕 上記〔２９〕又は〔３０〕にお
いて、前記の少なくとも１面は自由曲面であることを特
徴とする走査光学装置。

【０１０８】〔３３〕 上記〔２９〕から〔３２〕の何
れか１項において、前記偏向器は前記の面の偏心方向と
それに直交する方向の２次元に偏向させるものであるこ
とを特徴とする走査光学装置。

【０１０９】〔３４〕 上記〔２９〕から〔３２〕の何
れか１項において、前記偏向器に入射する光は、１次元
の発光素子列から射出されたものであることを特徴とす
る走査光学装置。

【０１１０】〔３５〕 光源から射出した光が偏向器に
よって偏向され、走査光学系によって中間像を形成し、
前記中間像を接眼光学系によって観察者眼球に虚像とし
て拡大して投影する画像表示装置において、前記走査光
学系は、少なくとも１方向に光を偏向する偏向器と前記
光を走査させる走査面との間に配置され、少なくとも２
面で構成され、その少なくとも２面で形成された空間を
屈折率が１より大きい媒質によって満たされており、少
なくとも１面は反射面であり、前記の少なくとも２面の
中、少なくとも１面は光軸に対して偏心した非球面であ
ることを特徴とする画像表示装置。

【０１１１】〔３６〕 上記〔３５〕において、前記走
査光学系は、少なくとも１方向に光を偏向する偏向器と
前記光を走査させる走査面との間に配置され、少なくと
も３面で構成され、その少なくとも３面で形成された空
間を屈折率が１より大きい媒質によって満たされてお
り、１面は反射面であり、他の１面は反射作用と透過作
用とを有する面であり、前記の少なくとも３面の中、少
なくとも１面は光軸に対して偏心した非球面であること
を特徴とする画像表示装置。

【０１１２】〔３７〕 上記〔３５〕又は〔３６〕にお
いて、前記の少なくとも１面は回転非対称な非球面であ
ることを特徴とする画像表示装置。

【０１１３】〔３８〕 上記〔３５〕又は〔３６〕にお
いて、前記の少なくとも１面は自由曲面であることを特
徴とする画像表示装置。

【０１１４】〔３９〕 上記〔３５〕から〔３８〕の何
れか１項において、前記走査光学系の走査対象面側の光
線が略テレセントリックとなるように構成されているこ
とを特徴とする画像表示装置。

【０１１５】〔４０〕 上記〔３５〕から〔３９〕の何
れか１項において、前記走査光学系の少なくとも１面
は、一部が反射し一部が透過する面であることを特徴と
する画像表示装置。

【０１１６】〔４１〕 上記〔３５〕から〔４０〕の何
れか１項において、前記走査光学系の少なくとも１面
は、少なくとも一部が全反射する面であることを特徴と
する画像表示装置。

【０１１７】〔４２〕 上記〔３５〕から〔４１〕の何
れか１項において、前記偏向器によって偏向する光束は
２つであり、前記２つの光束はそれぞれ前記走査光学系
によって中間像を形成し、それぞれの中間像をそれぞれ
の接眼光学系によって観察者の左右の眼球に虚像として
拡大投影することを特徴とする画像表示装置。

【０１１８】〔４３〕 上記〔４２〕において、前記偏
向器に入射する光束は複数の偏向面を同時に照射するこ
とを特徴とする画像表示装置。

【０１１９】〔４４〕 上記〔４２〕又は〔４３〕にお
いて、前記偏向器に入射する光束は２つに分割されてい
ることを特徴とする画像表示装置。

【０１２０】〔４５〕 光源から射出した光が偏向器に
よって偏向され走査光学系によって形成される中間像、
あるいは、画像表示素子の画像をリレー光学系によって
形成される中間像を接眼光学系によって観察者眼球に拡
大した虚像として投影する画像表示装置において、前記
中間像の少なくとも一部は前記接眼光学系の媒質内に形
成されることを特徴とする画像表示装置。

【０１２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、１つの走査光学素子によって構成された走査
光学系を用いながらも、非常に広い走査角を有し、偏向
器の種類に関わらず走査面上では等速度運動する光ビー
ムを形成することが可能であり、また、高精度な描画の
ために必要なテレセントリック性を達成することも可能
であり、さらに、１次元走査のみではなく２次元の走査
領域において上記特性を有し、さらに、結像性能の高い
走査光学系を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の走査光学系の光軸を含む断
面図である。

【図２】本発明の実施例２の走査光学系の光軸を含む断
面図である。

【図３】本発明の実施例３の走査光学系の光軸を含む断
面図である。

【図４】本発明の実施例４の走査光学系の光軸を含む断
面図である。

【図５】本発明の実施例６の走査光学系の光軸を含む断
面図である。

【図６】実施例１のｆ−θ特性を示す図である。

【図７】実施例２のｆ−ａｒｃｓｉｎθ特性を示す図で
ある。

【図８】実施例４のｆ−θ特性を示す図である。

【図９】実施例５のｆ−θ特性を示す図である。

【図１０】実施例１の像面湾曲を示す図である。

【図１１】実施例２の像面湾曲を示す図である。

【図１２】実施例４の像面湾曲を示す図である。

【図１３】実施例５の像面湾曲を示す図である。

【図１４】実施例１の横収差の一部を示す図である。

【図１５】実施例１の横収差の他の一部を示す図であ
る。

【図１６】実施例１の横収差の残りの一部を示す図であ
る。

【図１７】実施例４の横収差の一部を示す図である。

【図１８】実施例４の横収差の他の一部を示す図であ
る。

【図１９】実施例４の横収差の残りの一部を示す図であ
る。

【図２０】本発明の走査光学系をレーザビームプリンタ
に適用した場合の構成図である。

【図２１】本発明の走査光学系を読み込み装置に適用し
た場合の構成図である。

【図２２】本発明の走査光学系を２次元画像の読み込み
装置に適用した場合の構成図である。

【図２３】本発明の走査光学系を画像表示装置に適用し
た場合の１例の構成図である。

【図２４】本発明の走査光学系を両眼観察可能な画像表
示装置に適用した場合の構成図である。

【図２５】本発明の走査光学系を画像表示装置に適用し
た場合の別の例の要部構成図である。

【符号の説明】

１…光源 １Ｒ，１Ｇ，１Ｂ…Ｒ，Ｇ，ＢレーザあるいはＬＥＤ ２…コリメーター ３…偏向器 ４…走査光学素子 ５…走査面 ６…接眼光学系 ７…ハーフミラー １１…第１面 １２…第２面 １３…第３面 ２０…入射瞳 ２１…光軸 ３１…ガルバノメータスキャナー ４０…中間像位置 ４１…観察者瞳 ５１…走査線 ５２…集光光学系 ５３…光検出器 ６１…接眼光学系の第１面 ６２…接眼光学系の第２面 ６３…接眼光学系の第３面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも走査対象面上での１つの走査
   方向に沿って光を偏向させる作用を持った光偏向器と、
   前記光偏向器と前記走査対象面との間に配置されかつ瞳
   面を前記光偏向器に略一致させると共に像面を前記走査
   対象面に略一致させた光学部材とを有した走査光学系に
   おいて、 前記光学部材が、光束に正のパワーを与える少なくとも
   １つの反射面を含み、その反射面は偏心収差を補正する
   作用を持った面内面外共に回転対称軸を有さない非回転
   対称面にて形成されていることを特徴とする走査光学
   系。
2. 【請求項２】 少なくとも走査対象面上での１つの走査
   方向に沿って光を偏向させる作用を持った光偏向器と、
   前記光偏向器と前記走査対象面との間に配置されかつ瞳
   面を前記光偏向器に略一致させると共に像面を前記走査
   対象面に略一致させた光学部材とを有した走査光学系に
   おいて、 前記光学部材が、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞
   １）媒質にて形成されたプリズム部材を含み、前記プリ
   ズム部材は、少なくともプリズム内の光束を反射する作
   用を持った反射面と、少なくともプリズムに光束を入射
   若しくは射出する作用を持った透過面とを有し、前記反
   射面と前記透過面の少なくとも一方の面は、偏心収差を
   補正する作用を持った面内面外共に回転対称軸を有さな
   い非回転対称面にて形成されていることを特徴とする走
   査光学系。
3. 【請求項３】 少なくとも走査対象面上での１つの走査
   方向に沿って光を偏向させる作用を持った光偏向器と、
   前記光偏向器と前記走査対象面との間に配置されかつ瞳
   面を前記光偏向器に略一致させると共に像面を前記走査
   対象面に略一致させた光学部材とを有した走査光学系に
   おいて、 前記光学部材が、反射又は透過の光学作用を持った少な
   くとも３つの面とその３つの面に挟まれた屈折率（ｎ）
   が１よりも大きい（ｎ＞１）媒質とを有するプリズム部
   材を含み、前記３つの面の中、少なくとも１つの面がプ
   リズム内の光束を反射する作用を持った反射面にて形成
   されると共に、前記反射面と媒質を挟んで対向配置され
   ている面が前記反射面との間に光路を折り畳む作用を持
   った折り返し光路を形成するように反射作用と透過作用
   とを併せて持もように構成され、 さらに、前記３つの面の中、少なくとも１面は偏心収差
   を補正する作用を持った面内面外共に回転対称軸を有し
   ない非回転対称面にて形成されていることを特徴とする
   走査光学系。