JPWO2012165575A1

JPWO2012165575A1 - 画像表示装置

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Publication number: JPWO2012165575A1
Application number: JP2013518172A
Authority: JP
Inventors: 浩今井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2015-02-23
Also published as: US9182595B2; WO2012165575A1; US20140153072A1

Abstract

画像表示装置は、光源からの光ビームを集光する可変焦点光学素子を備え、この可変焦点光学素子からの集光ビームを走査することで画像を表示する。可変焦点光学素子は、互いの光軸が平行であり、各光軸に直交する方向に並べて配置されたレンズ４０、４１と、レンズ４０からのビームをレンズ４１に向けて折り返す直交平面ミラー４２と、直交平面ミラー４２をレンズ４０、４１の各光軸に沿って平行移動させるアクチュエータ４３と、を有する。走査角に応じて、アクチュエータ４３の変位量が制御される。

Description

本発明は、光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する画像表示装置に関する。

レーザー光を水平方向および垂直方向に走査して被投射面上に画像を表示する画像表示装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

図１に、画像表示装置の走査系に関わる構成を示す。

図１を参照すると、画像表示装置は、光源１２１と、光源１２１から出射したレーザービームを被投射面１２４上に集光する集光レンズ１２２と、集光レンズ１２２によって集光されたレーザービームを走査する走査ミラー１２３とを有する。

通常、表示画像の画素の大きさは、被投射面１２４上のビームスポット径（直径）で決まる。したがって、集光されたレーザービームのビームウェストが被投射面１２４の位置に形成されるように、集光レンズ１２２と被投射面１２４を設定すれば、ビームスポット径を小さくすることができ、高解像度の画像を得ることができる。

しかし、走査ミラー１２３から被投射面１２４までの間におけるレーザービームの光路長は、走査ミラー１２３の走査角に応じて変化するため、被投射面１２４の面内位置によっては、ビームウェストを被投射面１２４の位置に形成することができない。この場合は、画面の一部の解像度が低下する。

以下、解像度が低下する理由について詳細に説明する。

図２に、走査角θに対する光路長およびビームウェストの変化を模式的に示す。

走査ミラー１２３の有効径（半径）をω、伝播距離をｚ、振幅値が最大値に対し1/eまで落ちる距離において形成されるビームウェスト半径をω₀とすると、以下の式１および式２の関係が成り立つ。ここで、λはレーザービームの波長、πは円周率である。ビーム開口数はω／ｚで与えられる。

走査角θが０で、光路長Ｌ（０）にビームウェストを配置した場合の被投射面１２４におけるビーム径（半径）をω₀と仮定する。光路長Ｌ（０）は、レーザービームの中心光線の光路における、走査ミラー１２３の面から被投射面１２４までの距離である。投射距離ｆは、集光レンズ１２２から被投射面１２４までの距離であり、集光レンズ１２２の焦点距離により決まる。集光レンズ１２２の主点から走査ミラー１２３の面までの距離をｄとすると、光路長Ｌ（０）は、投射距離ｆから距離ｄを差し引いた値で与えられる。

走査角θを０より大きくした場合の、レーザービームの中心光線の光路における、走査ミラー１２３の面から被投射面１２４までの距離を光路長Ｌ（θ）とすると、光路長Ｌ（θ）は以下の式３により与えられる。

走査角θを０より大きくすると、光路長Ｌ（θ）は光路長Ｌ（０）より大きくなるため、式１における伝搬距離ｚが増大し、その結果、ビーム径（直径）の値は、２ω₀から２ω（Ｌ(θ)）に増大する。走査角θの増大に伴って被投射面１２４上でのビーム径が大きくなると、画素が大きくなり、その結果、画面の周辺部における解像度が低下する。

上述した画像表示装置において、集光レンズ１２２として可変焦点レンズを用い、ビームウェストが被投射面１２４の位置に形成されるように、走査角θに応じて可変焦点レンズの焦点距離を制御することで、画面全体にわたって高解像度を維持することができる。

可変焦点レンズは、例えば、集光レンズと、発散レンズと、集光レンズを光軸方向に移動するアクチュエータとからなる。アクチュエータが集光レンズを移動することで、集光レンズと発散レンズとの間隔が変化し、それに伴って、焦点距離が変化する。

図３Ａに、長焦点時の可変焦点レンズの状態を模式的に示し、図３Ｂに、短焦点時の可変焦点レンズの状態を模式的に示す。

図３Ａに示すように、集光レンズ１３０と発散レンズ１３１との間隔ｄが小さくなると、バックフォーカスＢＦが長くなる。一方、図３Ｂに示すように、集光レンズ１３０と発散レンズ１３１との間隔ｄが大きくなると、バックフォーカスＢＦが短くなる。

バックフォーカスＢＦは、以下の式４により与えられる。

ここで、ｆ₁は集光レンズ１３０の焦点距離を示し、ｆ₂は発散レンズ１３１の焦点距離を示す。

上記の可変焦点レンズに関連する技術として、特許文献１には、集光レンズと発散レンズの組み合わせからなる集光光学系が記載されており、特許文献２には、アクチュエータを用いて集光レンズをその光軸方向に移動する構成が記載されている。

特開２００７−１２１５３８号公報特開２００８−２６８６４５号公報

画像表示装置の小型化および省電力化の観点から、小型で、駆動電力の小さな可変焦点レンズが必要とされている。

アクチュエータは、可変焦点レンズの他の部材（集光レンズや発散レンズなど）に比較して格段に大きいため、可変焦点レンズの小型化を図るためには、アクチュエータ自体を小型化する必要がある。

アクチュエータには、圧電素子（ピエゾ素子とも呼ばれる）を用いたものや可動コイルを用いたものがあるが、いずれの場合も、変位量が大きいものほど、駆動電力が大きく、大型なものとなる。言い換えると、変位量の小さなアクチュエータは、駆動電力が小さく、小型である。

上記のことから、小型で、駆動電力の小さな可変焦点レンズを実現するためには、焦点距離の変化の範囲はそのままで、アクチュエータに要求される変位量を小さくする必要がある。

上述した可変焦点レンズを備えた画像表示装置において、走査角の変化範囲に対するアクチュエータに要求される変位量は、例えば８０μｍと大きいため、小型で、駆動電力の小さな可変焦点レンズを実現することは困難である。

なお、集光レンズおよび発散レンズとして焦点距離の小さなレンズを用いることで、焦点距離の変化の範囲はそのままで、アクチュエータに要求される変位量を小さくすることができる。しかし、この場合は、以下のような問題が生じる。

焦点距離を小さくすると、レンズの収差（球面収差等）が増大する。収差は、被投射面上のビームスポットの形状を変化させる要因であり、それが増大すると、ビームスポットの形状が変化して画質が低下する。

また、焦点距離を小さくすると、収差の影響を鑑みて、レンズ径（より具体的には開口数ＮＡ＝レンズ半径÷焦点距離）を減少させる必要があるため、開口数の減少により、回折限界の観点から光ビームを小さく絞ることが困難となり、被投射面１２４上のビームスポット径が増大する。

例えば、焦点距離が１０ｍｍの集光レンズと焦点距離が−５ｍｍの発散レンズとの組み合わせよりなる可変焦点レンズにおいて、集光レンズに入射する平行ビームのビーム直径を４ｍｍ、バックフォーカスを１００ｍｍとした場合のビームスポット径は４０μｍである。

これに対して、焦点距離が５ｍｍの集光レンズと焦点距離が−２．５ｍｍの発散レンズとの組み合わせよりなる可変焦点レンズにおいて、収差の影響を鑑みて、集光レンズに入射する平行ビームのビーム直径を２ｍｍとして、バックフォーカスを１００ｍｍとした場合のビームスポット径は８０μｍである。このように、焦点距離を小さくすると、ビームスポット径が回折限界の影響により２倍に増大する。

表示画像の画素の大きさは、ビームスポット径に依存するため、ビームスポット径が増大すると、解像度が低下する。

本発明の目的は、画面全体にわって高解像度で高画質の画像を得ることができ、かつ、小型化および省電力化を図ることができる画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
光源と、
前記光源から出射された光ビームを集光する、焦点距離が可変の可変焦点光学素子と、
前記可変焦点光学素子によって集光された光ビームで被投射面上を走査する走査手段と、
入力映像信号に基づいて前記走査手段を制御して前記被投射面上に画像を表示させるとともに、前記走査手段の走査角に応じて前記可変焦点光学素子の焦点距離を制御する制御部と、を有し、
前記可変焦点光学素子は、
互いの光軸が平行であり、各光軸に直交する方向に並べて配置された第１および第２のレンズと、
前記光源からの前記光ビームが前記第１のレンズを介して入射され、該入射した光ビームを前記第２のレンズに向けて折り返す反射素子と、
前記第１および第２のレンズと前記反射素子の一方もしくは両方を前記第１および第２のレンズの各光軸に沿って平行移動させるアクチュエータ部と、を有し、
前記制御部は、前記アクチュエータ部を制御して前記可変焦点光学素子の焦点距離を変化させる、画像表示装置が提供される。

画像表示装置の走査系に関わる一般的な構成を示す模式図である。図１に示す画像表示装置における走査角に対する光路長およびビームウェストの変化を説明するための模式図である。長焦点時の可変焦点レンズの状態を示す模式図である。短焦点時の可変焦点レンズの状態を示す模式図である。本発明の第１の実施形態である走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。図４に示す走査型画像表示装置の可変焦点光学素子の構成を示す模式図である。図４に示す走査型画像表示装置の水平おうよび垂直の走査を説明するための模式図である。図４に示す走査型画像表示装置における、水平走査ミラーの駆動信号、垂直走査ミラーの駆動信号、投射距離の変化、および直交平面ミラーの変位量を説明するための図である。本発明の第２の実施形態である走査型画像表示装置にて用いられる可変焦点光学素子の構成を示す模式図である。本発明の第３の実施形態である走査型画像表示装置にて用いられる可変焦点光学素子の構成を示す模式図である。本発明の第４の実施形態である走査型画像表示装置にて用いられる可変焦点光学素子の構成を示す模式図である。本発明の第５の実施形態である走査型画像表示装置にて用いられる可変焦点光学素子の構成を示す模式図である。本発明の第６の実施形態である走査型画像表示装置にて用いられる可変焦点光学素子の構成を示す模式図である。

１光源
２コリメータレンズ
３ミラー
４可変焦点光学素子
５水平走査ミラー
６垂直走査ミラー
７被投射面
８制御部
９映像信号制御部
１０走査ミラー制御部
４０、４１レンズ
４２直交平面ミラー
４２ａ、４２ｂ平面ミラー
４３アクチュエータ

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。

図４を参照すると、走査型画像表示装置は、リアプロジェクションタイプのものであって、光源１、コリメータレンズ２、ミラー３、可変焦点光学素子４、水平走査ミラー５、垂直走査ミラー６、被投射面７および制御部８を有する。垂直走査ミラー６から被投射面７までの距離は固定である。

光源１は、半導体レーザーに代表される固体光源である。光源１からのレーザービームの進行方向に、コリメータレンズ２、ミラー３がこの順番で配置されている。コリメータレンズ２は、光源１からのレーザービームを平行光束化する。ミラー３は、コリメータレンズ２からのレーザービームを略９０度の角度で反射する。

ミラー３で反射されたレーザービームの進行方向に、可変焦点光学素子４が配置されている。可変焦点光学素子４は、ミラー３からのレーザービームを集光するものであって、その焦点距離は可変である。

図５に、可変焦点光学素子４の構成を示す。

図５を参照すると、可変焦点光学素子４は、屈折力が正のレンズ４０と、屈折力が負のレンズ４１と、直交平面ミラー４２と、アクチュエータ４３とを有する。

レンズ４０、４１は、互いの光軸が平行であり、各光軸に直交する方向に並べて配置されている。

直交平面ミラー４２は、レンズ４０から入射したレーザービームをレンズ４１に向けて折り返す反射素子であって、互いの面が直交するように一体的に形成された２つの平面ミラー４２ａ、４２ｂよりなる。

レンズ４０からのレーザービームの中心光線（レンズ４０の光軸）は、略４５°の入射角度で平面ミラー４２ａに入射する。平面ミラー４２ａで反射されたレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で平面ミラー４２ｂに入射する。平面ミラー４２ｂで反射されたレーザービームの中心光線はレンズ４１の光軸に一致する。

アクチュエータ４３は、直交平面ミラー４２をレンズ４０、４１の光軸方向に平行移動する。アクチュエータ４３として、例えば圧電素子や可動コイルを用いたものを適用することが可能である。ここでは、アクチュエータ４３は、積層圧電アクチュエータであり、その長さは４０ｍｍである。１５０Ｖを印加した場合のアクチュエータ４３の変位量は、４０μｍである。アクチュエータ４３の駆動周波数は、例えば１２ｋＨｚである。

再び、図４を参照する。可変焦点光学素子４から出射されたレーザービームの進行方向に、水平走査ミラー５および垂直走査ミラー６からなる走査手段が配置されている。水平走査ミラー５および垂直走査ミラー６として、マイクロメカニカルミラー（ＭＥＭＳ）に代表される共振型走査ミラーや、ガルバノミラー等を用いることができる。図４に示した例では、水平走査ミラー５および垂直走査ミラー６が別々に設けられているが、これに代えて、２次元走査が可能な共振型走査ミラーを用いることもできる。

ここで、水平走査ミラー５の走査周波数は６ｋＨｚであり、アクチュエータ４３の駆動周波数の１／２である。また、垂直走査ミラー６の走査周波数は６０Ｈｚであり、水平走査線数は２００本である。

制御部８は、走査型画像表示装置全体の動作を制御するものであって、映像信号制御部９および走査ミラー制御部１０を有する。

映像信号Ｓ１が、外部装置から映像信号制御部９に供給されている。外部装置は、例えばパーソナルコンピュータ等の映像供給装置である。

映像信号制御部９は、映像信号Ｓ１に基づく画像の表示における垂直同期および水平同期をそれぞれ示す同期信号Ｓ２（垂直同期信号および水平同期信号）を走査ミラー制御部１０に供給する。

また、映像信号制御部９は、水平方向および垂直方向の走査角とアクチュエータ４３の変位量（具体的には印加電圧値）との関係を示す特性データ（ルックアップテーブル）を保持しており、同期信号Ｓ２（垂直同期信号および水平同期信号）に基づいて画素毎の走査角を決定し、その走査角に応じた変位量（印加電圧値）を特性データから取得する。そして、映像信号制御部９は、取得した変位量（印加電圧値）に基づく制御信号Ｓ３を可変焦点光学素子４に供給する。可変焦点光学素子４では、アクチュエータ４３が制御信号Ｓ３に従って動作することで焦点距離が変化する。

例えば、特性データは、走査角θが０°〜最大角度θmaxまでの範囲において、走査角θを段階的に変化させた場合の、アクチュエータ４３の変位量（具体的には印加電圧値）を示すデータをテーブル化したものである。走査角のステップ幅は例えば０．５°であるが、これに限定されない。走査角のステップ幅は適宜に設定可能である。

また、映像信号制御部９は、垂直走査期間の開始タイミングから水平同期信号のパルス、及び画素クロックをカウントし、そのカウント値に基づいて、レーザービームによって照射されている位置がどの画素であるかを決定することができる。画面全体の画素数および各画素における水平方向および垂直方向の走査角は予め決まっているので、映像信号制御部９は、カウント値に基づいて、レーザービームの現在の照射位置を決定し、その決定した位置に基づいて走査角を決定することができる。

さらに、映像信号制御部９は、映像信号Ｓ１に基づいて強度変調信号Ｓ４を生成し、その生成した強度変調信号Ｓ４を光源１に供給する。例えば、光源１が半導体レーザーである場合、強度変調信号Ｓ４に基づいて半導体レーザーへの電流供給（電流供給量および電流供給時間）が制御される。

なお、光源１からのレーザービームの光路上に変調器を設け、光源１への供給電力量を一定として、強度変調信号Ｓ４に基づいてその変調器の透過率を制御してもよい。

走査ミラー制御部１０は、同期信号Ｓ２の水平同期信号に基づいて水平走査ミラー５を制御するとともに、同期信号Ｓ２の垂直同期信号に基づいて垂直走査ミラー６を制御する。

図６Ａに、最上段、中段、最下段の３つの水平走査線の、左端、中央、右端の各画素を示す。図６Ｂに、水平走査ミラー５の駆動信号、垂直走査ミラー６の駆動信号、投射距離の変化、および直交平面ミラー４２の変位量を示す。

画素Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、最上段の水平走査線の左端、中央、右端の各画素を示す。画素Ｐ１は、被投射面７の左上に位置し、画素Ｐ３は、被投射面７の右上に位置する。

画素Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６は、中段の水平走査線の左端、中央、右端の各画素を示す。画素Ｐ５は、被投射面７の略中央に位置する。

画素Ｐ７、Ｐ８、Ｐ９は、最下段の水平走査線の左端、中央、右端の各画素を示す。画素Ｐ７は、被投射面７の左下に位置し、画素Ｐ９は、被投射面７の右下に位置する。

走査ミラー制御部１０は、正弦波状の駆動信号を水平走査ミラー５に供給し、鋸波状の駆動信号を垂直走査ミラー６に供給する。正弦波状の駆動信号において、最初の正負の波の部分が最上段の走査線に対応し、正側の波のピーク、０との交点、および負側の波のピークがそれぞれ画素Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に対応する。このような正負の波が、１垂直走査期間において、走査線の数だけ存在する。

１水平走査期間において、投射距離は、左端および右端の画素で最大となり、中央の画素で最小となる。１水平走査期間における投射距離の変化量は、最上段および最下段の走査線において最大となり、中央の走査線において最小となる。

１水平走査期間における投射距離の平均値は、最上段側から中央の方向に走査が進むにつれて徐々に減少し、中央において最小値となり、その後は、中央から最下段側の方向に走査が進むにつれて徐々に増大する。なお、図６Ｂの投射距離の図において、投射距離の平均値の変化は破線で示されている。

１水平走査期間において、直交平面ミラー４２の平行移動（変位）量ｄは、左端および右端の画素で最小となり、中央の画素で最大となる。１水平走査期間における平行移動（変位）の範囲は、最上段および最下段の走査線において最小となり、中央の走査線において最大となる。

１垂直走査期間における平行移動（変位）量ｄの平均値は、最上段側から中央の方向に走査が進むにつれて段階的に増大し、中央において最大値となり、その後は、中央から最下段側の方向に走査が進むにつれて段階的に減少する。なお、図６Ｂの直交平面ミラーの変位ｄの図において、平行移動（変位）量ｄの平均値の変化は破線で示されている。

映像信号制御部９は、図６Ｂの直交平面ミラーの変位ｄを得られるような制御信号Ｓ３をアクチュエータ４３に供給する。直交平面ミラーの変位ｄの変化の周期は、水平走査角の変化の周期の半分である。１水平走査期間において、走査線の端部側ほど直交平面ミラーの変位ｄが小さくなっている。また、１垂直期間において、中央部の水平走査線に対する直交平面ミラーの変位ｄの範囲が最も大きく、上下方向に行くに従って、水平走査線に対する直交平面ミラーの変位ｄの範囲が減少する。

上述した本実施形態の走査型画像表示装置においては、制御部８が、入力映像信号Ｓ１に基づいて走査手段（水平走査ミラー５および垂直走査ミラー６）の走査角を制御するとともに、該走査角に応じて可変焦点光学素子４の焦点距離を制御する。これにより、走査角によらず、ビームウェストを被投射面上に形成することができるので、画面全体にわって高解像度で高画質の画像を得ることができる。

また、可変焦点光学素子４は、変位量の小さなアクチュエータ４３により構成されているので、小型化および省電力化を図ることができる。以下に、その理由を詳細に説明する。

図５に示した可変焦点光学素子４によれば、アクチュエータ４３が、レンズ４０、４１側の方向に距離ｄだけ直交平面ミラー４２を平行移動した場合、レンズ４０からレンズ４１までの光路長は、平行移動前と比較して、２ｄだけ短くなる。この光路長の変化に応じて、可変焦点光学素子４の焦点距離は長くなる。

また、アクチュエータ４３が、レンズ４０、４１側とは反対の方向に距離ｄだけ直交平面ミラー４２を平行移動した場合、レンズ４０からレンズ４１までの光路長は、平行移動前と比較して、２ｄだけ長くなる。この光路長の変化に応じて、可変焦点光学素子４の焦点距離は短くなる。

ここで、可変焦点光学素子４の焦点距離は、前述した式４により求められる。ただし、式４において、ｄは、レンズ４０からレンズ４１までの光路長を示す。

上記のように、アクチュエータ４３による平行移動量ｄに対して、その２倍の光路長の変化量２ｄを得ることができる。すなわち、アクチュエータ４３の変位量は、光路長の変化量の半分である。

一方、図３Ａおよび図３Ｂに示したように、集光レンズ１３０と発散レンズ１３１を直線上に並べて配置し、アクチュエータによって集光レンズ１３０を光軸方向に平行移動させる構成（比較例）では、アクチュエータによる平行移動量ｄに対して、光路長の変化量はｄである。すなわち、アクチュエータの変位量は、光路長の変化量と同じである。

上述のように、可変焦点光学素子４によれば、上記の比較例と比較して、アクチュエータの変位量は半分でよいので、より小型で、駆動電力の小さなアクチュエータを用いることができる。

また、アクチュエータの変位量が小さいことから、以下のような作用効果を得ることができる。

通常、アクチュエータの変位量が大きいほど、アクチュエータの最大駆動周波数が低下する。このため、アクチュエータの変位量が大きいと、その応答性能が低下する。可変焦点光学素子４によれば、上記の比較例と比較して、アクチュエータの変位量が小さいので、アクチュエータの最大駆動周波数をより高いものとすることができ、より高い応答性能を実現することができる。応答性能の向上により、走査角に応じた焦点距離の制御をより細かく行うことができ、その結果、画面全体にわって、ビームウェストを被投射面７の位置に確実かつ高精度に形成することができる。

なお、本実施形態の走査型画像表示装置は、本発明の一例であり、その構成は適宜に変更することができる。例えば、直交平面ミラー４２に代えて、直角プリズム（例えば、コーナーキューブ）を用いてもよい。この場合、直角プリズムの直交する２つの平面が反射面とされる。

また、光源１として赤色、緑色、青色の各色のレーザー光源をそれぞれ設け、各々のレーザー光源にコリメータ２を適用してもよい。この場合、各レーザー光源からのレーザービームを、ダイクロイックミラーやファイバカプラ等の色合成光学系を用いて、１本のレーザービームとしてもよい。この場合、映像信号制御部９は、映像信号Ｓ１に含まれる赤色、緑色、青色、各色に対応する映像の輝度信号に対応した強度変調信号Ｓ４で各色に対応した光源１を変調する。

なお、図５において、レンズ４０、４１は光軸方向に直交する方向に沿って並んでいるが、それらの位置がずれていても構わない。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の走査型画像表示装置は、可変焦点光学素子４の一部が異なる以外は、第１の実施形態のものと基本的に同じものである。

図７に、本実施形態の走査型画像表示装置に用いられる可変焦点光学素子４の構成を示す。

図７を参照すると、可変焦点光学素子４は、図５に示した構成に、レンズホルダー４４およびアクチュエータ４５を加えたものである。

レンズホルダー４４は、レンズ４０、４１を保持するものである。アクチュエータ４５は、レンズホルダー４４をレンズ４０、４１の光軸方向に平行移動する。

アクチュエータ４３と同様、アクチュエータ４５として、例えば圧電素子や可動コイルを用いたものを適用することが可能である。ここでは、アクチュエータ４３、４５はともに、積層圧電アクチュエータであり、その長さは２０ｍｍである。１５０Ｖを印加した場合のアクチュエータ４３、４５の変位量は、２０μｍである。アクチュエータ４３、４５の駆動周波数はそれぞれ、例えば１２ｋＨｚである。

本実施形態の走査型画像表示装置においては、映像信号制御部９は、走査角に応じて可変焦点光学素子４の焦点距離を変化させるが、直交平面ミラー４２とレンズホルダー４４とが互いに反対の方向に平行移動するようにアクチュエータ４３、４５を制御する。

具体的には、焦点距離を長くする場合は、映像信号制御部９は、直交平面ミラー４２とレンズホルダー４４との間隔が小さくなるように、アクチュエータ４３、４５を制御する。反対に、焦点距離を短くする場合は、映像信号制御部９は、直交平面ミラー４２とレンズホルダー４４との間隔が大きくなるように、アクチュエータ４３、４５を制御する。

レンズ４０からレンズ４１までの光路長の変化量は、アクチュエータ４３による直交平面ミラー４２の変位量とアクチュエータ４５によるレンズホルダー４４の変位量との合計値によって決まる。

例えば、直交平面ミラー４２の変位量とレンズホルダー４４の変位量がそれぞれｄである場合、レンズ４０からレンズ４１までの光路長の変化量は４ｄとなる。この場合、アクチュエータ４３、４５の変位量は、光路長の変化量の１／４である。

一方、図３Ａおよび図３Ｂに示したように、集光レンズ１３０と発散レンズ１３１を直線上に並べて配置し、集光レンズ１３０と発散レンズ１３１をそれぞれ別々のアクチュエータによって光軸方向に平行移動させる構成（比較例）では、各アクチュエータによる平行移動量ｄに対して、光路長の変化量は２ｄである。すなわち、アクチュエータの変位量は、光路長の変化量の半分である。

上述のように、本実施形態の走査型画像表示装置においても、上記の比較例と比較して、アクチュエータの変位量は半分でよいので、より小型で、駆動電力の小さなアクチュエータを用いることができる。その理由は、積層圧電アクチュエータの長さは変位量に比例するためである。また、アクチュエータの変位量が小さいため、より高い駆動周波数でアクチュエータを駆動でき、水平走査線数を増やすことができる。

加えて、第１の実施形態で説明したような他の作用および効果も得ることができる。

なお、本実施形態の走査型画像表示装置は、本発明の一例であり、その構成は適宜に変更することができる。

例えば、レンズホルダー４４と直交平面ミラー４２の一方を固定とし、他方を光軸方向に平行移動するようにしてもよい。

さらに、レンズ４１に代えて屈折力が正のレンズを用いてもよい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の走査型画像表示装置は、可変焦点光学素子４の一部が異なる以外は、第１の実施形態のものと基本的に同じものである。

図８に、本実施形態の走査型画像表示装置に用いられる可変焦点光学素子４の構成を示す。

図８を参照すると、可変焦点光学素子４は、図５に示した構成において、レンズ４１に代えて屈折力が正のレンズ４６を設けたものである。レンズ４０からのレーザービームの中心光線に関し、平面ミラー４２ｂで反射されたレーザービームの中心光線は、レンズ４６の光軸に一致する。

レンズ４１の焦点距離をｆ₁とし、レンズ４６の焦点距離をｆ₂とすると、レンズ４１からレンズ４６までの光路長（レンズ４１、４６間の距離）は、概ね「ｆ₁＋ｆ₂」の値に一致する。

屈折力が正の２つのレンズ４１、４６を用いることで、第１の実施形態のような、屈折力が正のレンズ４０と屈折力が負のレンズ４１とを組み合わせた構成に比較して、レンズ間の距離をより長くすることができるので、直交平面ミラー４２を配置する上での自由度が向上する。

本実施形態の走査型表示装置においても、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態の走査型画像表示装置は、可変焦点光学素子４の一部が異なる以外は、第１の実施形態のものと基本的に同じものである。

図９に、本実施形態の走査型画像表示装置に用いられる可変焦点光学素子４の構成を示す。

図９を参照すると、可変焦点光学素子４は、図５に示した構成において、直交平面ミラー４７およびアクチュエータ４８を追加し、さらに、レンズ４１に代えて屈折力が正のレンズ４６を設けたものである。

直交平面ミラー４２、４７は、レンズ４０から入射したレーザービームを、その入射方向に折り返してレンズ４６に入射させる反射手段である。

直交平面ミラー４７は、互いの面が直交するように一体的に形成された２つの平面ミラー４７ａ、４７ｂよりなる。平面ミラー４７ａは、直交平面ミラー４２の平面ミラー４２ａと対向するように配置されている。平面ミラー４７ｂは、直交平面ミラー４２の平面ミラー４２ｂと対向するように配置されている。

レンズ４０からのレーザービームの中心光線（レンズ４０の光軸）は、略４５°の入射角度で平面ミラー４２ａに入射する。平面ミラー４２ａで反射されたレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で平面ミラー４７ａに入射する。

平面ミラー４７ａで反射されたレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で平面ミラー４２ａに入射する。平面ミラー４２ａで反射されたレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で平面ミラー４２ｂに入射する。

平面ミラー４２ｂで反射されたレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で平面ミラー４７ｂに入射する。平面ミラー４７ｂで反射されたレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で平面ミラー４２ｂに入射する。

平面ミラー４２ｂで反射されたレーザービームの中心光線は、レンズ４６の光軸に一致する。

アクチュエータ４３は、直交平面ミラー４２をレンズ４０、４６の光軸方向に平行移動する。アクチュエータ４８は、直交平面ミラー４７をレンズ４０、４６の光軸方向に平行移動する。これらアクチュエータ４３、４８として、例えば圧電素子や可動コイルを用いたものを適用することが可能である。ここでは、アクチュエータ４３、４８は、積層圧電アクチュエータであり、その長さは例えば７ｍｍである。１５０Ｖを印加した場合のアクチュエータ４３、４８の変位量は、例えば７μｍである。アクチュエータ４３、４８の駆動周波数は、例えば１２ｋＨｚである。

屈折力が正の２つのレンズ４１、４６を用いることで、第１の実施形態のような、屈折力が正のレンズ４０と屈折力が負のレンズ４１とを組み合わせた構成に比較して、レンズ間の距離をより長くすることができるので、直交平面ミラー４２、４７を配置する上での自由度を向上することができる。

本実施形態の走査型画像表示装置においては、映像信号制御部９は、走査角に応じて可変焦点光学素子４の焦点距離を変化させるが、直交平面ミラー４２と直交平面ミラー４７とが互いに反対の方向に変位するようにアクチュエータ４３、４８を制御する。

具体的には、焦点距離を長くする場合は、映像信号制御部９は、直交平面ミラー４２と直交平面ミラー４７との間隔が小さくなるように、アクチュエータ４３、４８を制御する。反対に、焦点距離を短くする場合は、映像信号制御部９は、直交平面ミラー４２と直交平面ミラー４７との間隔が大きくなるように、アクチュエータ４３、４８を制御する。

レンズ４０からレンズ４６までの光路長の変化量は、アクチュエータ４３による直交平面ミラー４２の変位量とアクチュエータ４８による直交平面ミラー４７の変位量との合計値によって決まる。

例えば、直交平面ミラー４２の変位量とレンズホルダー４４の変位量がそれぞれｄである場合、レンズ４０からレンズ４６までの光路長の変化量は６ｄとなる。この場合、アクチュエータ４３、４８の変位量は、光路長の変化量の１／６である。

上述のように、本実施形態の走査型画像表示装置においては、上記の比較例と比較して、アクチュエータの変位量は１／３でよいので、より小型で、駆動電力の小さなアクチュエータを用いることができる。

加えて、第１および第２の実施形態で説明したような他の作用および効果も得ることができる。

例えば、直交平面ミラー４２、４７の一方を固定とし、他方を光軸方向に平行移動するようにしてもよい。

さらに、レンズ４６に代えて屈折力が負のレンズを用いてもよい。

さらに、平面ミラー４２ａ、４２ｂの少なくとも１つを曲面（凹面または凸面）の反射面としてもよい。同様に、平面ミラー４７ａ、４７ｂの少なくとも１つを曲面（凹面または凸面）の反射面としてもよい。

また、アクチュエータ４３の変位量が、アクチュエータ４８の変位量と異なっていてもよい。例えば、直交平面ミラー４２の質量は直交平面ミラー４７の質量より大きなため、アクチュエータ４３の変位量をアクチュエータ４８の変位量より小さくすれば、アクチュエータ４３への負担を軽減することができる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態の走査型画像表示装置は、可変焦点光学素子４の一部が異なる以外は、第１の実施形態のものと基本的に同じものである。

図１０に、本実施形態の走査型画像表示装置に用いられる可変焦点光学素子４の構成を示す。

図１０を参照すると、可変焦点光学素子４は、屈折力が正のレンズ８０、８６、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）８１、８５、１／４波長板８２、ミラー８３およびアクチュエータ８４を有する。

レンズ８０、８６は、図７および図９に示したレンズ４０、４６と同様のものであり、互いの光軸が平行で、各光軸に垂直な方向に並べて配置されている。レンズ８０の焦点距離をｆ₁とし、レンズ８６の焦点距離をｆ₂とすると、レンズ８０とレンズ８６の間の距離（レンズ８０からレンズ８６までの光路長）は、概ね「ｆ₁＋ｆ₂」の値に一致する。

ミラー８３は、レンズ８０、８６と対向するように配置されている。１／４波長板８２は、レンズ８０、８６とミラー８３の間に配置されている。

ＰＢＳ８１は、レンズ８０と１／４波長板８２の間に配置され、ＰＢＳ８５は、レンズ８６と１／４波長板８２の間に配置されている。

ＰＢＳ８１は、レンズ８０からのレーザービームの進行方向に配置されている。ＰＢＳ８１は、２つの直角プリズムの互いの斜面側の面を貼り合わせた直方体形状のものであって、貼り合わせ面に、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する偏光反射面を有する。レンズ８０の光軸とＰＢＳ８１の偏光反射面とのなす角度は略４５°である。

ＰＢＳ８５も、ＰＢＳ８１と同様の構成のものである。レンズ８６の光軸とＰＢＳ８５の偏光反射面とのなす角度は略４５°である。ＰＢＳ８１の偏光反射面とＰＢＳ８５の偏光反射面とのなす角度は略４５°である。

アクチュエータ８４は、ミラー８３をレンズ８０、８６の光軸方向に平行移動するものであって、例えば圧電素子や可動コイルを用いたものを適用することが可能である。ここでは、アクチュエータ８４は積層圧電アクチュエータであり、その長さは１０ｍｍである。１５０Ｖを印加した場合のアクチュエータ８４の変位量は、１０μｍである。アクチュエータ８４の駆動周波数は、例えば１２ｋＨｚである。

図１０に示した可変焦点光学素子においては、レンズ８０からのＰ偏光のレーザービームは、ＰＢＳ８１を透過する。ＰＢＳ８１を透過したＰ偏光のレーザービームは、１／４波長板８２を通過した後、ミラー８３で、ＰＢＳ８１側の方向に反射される。ミラー８３からの反射光は、１／４波長板８２を通過した後、ＰＢＳ８１に入射する。

ＰＢＳ８１からのＰ偏光のレーザービームは、ミラー８３へ向かう過程と、ミラー８３からＰＢＳ８１に戻る過程とにおいて、２度、１／４波長板８２を通過することになる。この結果、Ｓ偏光のレーザービームが、ミラー８３側から１／４波長板８２を介してＰＢＳ８１に入射する。

ＰＢＳ８１は、１／４波長板８２からのＳ偏光のレーザービームをＰＢＳ８５に向けて反射する。ＰＢＳ８５は、ＰＢＳ８１からのＳ偏光のレーザービームを１／４波長板８２に向けて反射する。

ＰＢＳ８５からのＳ偏光のレーザービームは、１／４波長板８２を通過した後、ミラー８３で、ＰＢＳ８５側の方向に反射される。ミラー８３からの反射光は、１／４波長板８２を通過した後、ＰＢＳ８５に入射する。

ＰＢＳ８５からのＳ偏光のレーザービームは、ミラー８３へ向かう過程と、ミラー８３からＰＢＳ８５に戻る過程とにおいて、２度、１／４波長板８２を通過することになる。この結果、Ｐ偏光のレーザービームが、ミラー８３側から１／４波長板８２を介してＰＢＳ８５に入射する。

１／４波長板８２からのＰ偏光のレーザービームは、ＰＢＳ８５をそのまま透過する。

本実施形態の走査型画像表示装置においては、映像信号制御部９は、走査角に応じて可変焦点光学素子の焦点距離を変化させる。

具体的には、焦点距離を長くする場合は、映像信号制御部９は、１／４波長板８２とミラー８３との間隔が小さくなるように、アクチュエータ８４を制御する。反対に、焦点距離を短くする場合は、映像信号制御部９は、１／４波長板８２とミラー８３との間隔が大きくなるように、アクチュエータ８４を制御する。

レンズ８０からレンズ８６までの光路長は、アクチュエータ８４によるミラー８３の変位量によって決まる。例えば、ミラー８３の変位量がｄである場合、レンズ８０からレンズ８６までの光路長の変化量は４ｄとなる。この場合、アクチュエータ８４の変位量は、光路長の変化量の１／４である。

一方、図３Ａおよび図３Ｂに示したように、集光レンズ１３０と発散レンズ１３１を直線上に並べて配置し、集光レンズ１３０をアクチュエータによって光軸方向に平行移動させる構成（比較例）では、アクチュエータによる平行移動量ｄに対して、光路長の変化量はｄである。すなわち、アクチュエータの変位量は、光路長の変化量と同じである。

上述のように、本実施形態の走査型画像表示装置においては、上記の比較例と比較して、アクチュエータの変位量は１／４でよいので、より小型で、駆動電力の小さなアクチュエータを用いることができる。

なお、本実施形態の走査型画像表示装置は、本発明の一例であり、その構成は適宜に変更することができる。例えば、ＰＢＳ８１、８５は、Ｐ偏光の光を反射し、Ｓ偏光の光を透過するように構成されてもよい。

また、アクチュエータ８４は、ミラー８３および１／４波長板８２を含む部分を平行移動させてもよい。

さらに、アクチュエータ８４は、ミラー８３、１／４波長板８２およびＰＢＳ８１、８５を含む部分を平行移動させてもよい。

また、凸レンズ８６に代えて、屈折力が負のレンズを用いてもよい。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態の走査型画像表示装置は、可変焦点光学素子４の一部が異なる以外は、第１の実施形態のものと基本的に同じものである。

図１１に、本実施形態の走査型画像表示装置に用いられる可変焦点光学素子４の構成を示す。

図１１を参照すると、可変焦点光学素子４は、図５に示した構成において、直交平面ミラー４２に代えて凹凸面ミラー４９を設けたものである。

凹凸面ミラー４９は、凹面ミラー４９ａと凸面ミラー４９ｂとを、断面形状がＬ字状となるように構成したものである。凹面ミラー４９ａの凹面側および凸面ミラー４９ｂの凸面側がレンズ４０、４１側に向けられている。

レンズ４０からのレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で凹面ミラー４９ａに入射する。凹面ミラー４９ａで反射されたレーザービームの中心光線は、略４５°の入射角度で凸面ミラー４９ｂに入射する。凸面ミラー４９ｂで反射されたレーザービームの中心光線は、レンズ４１の光軸に一致する。

アクチュエータ４３は、凹凸面ミラー４９をレンズ４０、４１の光軸方向に平行移動する。

本実施形態の走査型画像表示装置においても、映像信号制御部９が、走査角に応じて可変焦点光学素子４の焦点距離を変化させる。

具体的には、焦点距離を長くする場合は、映像信号制御部９は、凹凸面ミラー４９がレンズ４０、４１側へ平行移動するようにアクチュエータ４３を制御する。反対に、焦点距離を短くする場合は、映像信号制御部９は、凹凸面ミラー４９がレンズ４０、４１側とは反対の側へ平行移動するように、アクチュエータ４３を制御する。

レンズ４０からレンズ４１までの光路長は、アクチュエータ４３による凹凸面ミラー４９の変位量によって決まる。

例えば、凹凸面ミラー４９の変位量がｄである場合、レンズ４０からレンズ４１までの光路長は２ｄとなる。この場合、アクチュエータ４３の変位量は、光路長の変化量の１／２である。

上述のように、本実施形態の走査型画像表示装置においても、上記の比較例と比較して、アクチュエータの変位量は半分でよいので、より小型で、駆動電力の小さなアクチュエータを用いることができる。

加えて、凹面ミラー４９ａが屈折力が正のレンズとして作用し、凸面ミラー４９ｂが屈折力が負のレンズとして作用するので、図５に示した可変焦点光学素子と比較して、レンズ４０、４１として、曲率の小さなレンズを用いることができる。レンズの曲率が小さければ小さいほど収差の影響を受けずに、開口数ＮＡを大きくすることができるので、ビームを小さく絞ることができる。

上記の他、第１の実施形態で説明したような他の作用および効果も得ることができる。

例えば、図１１に示した構成においては、第１の面として凹面ミラー４９ａを用い、第２の面として凸面ミラー４９ｂを用いているが、これに限定されない。第１および第２の面の形状の組み合わせは様々である。

例えば、第１の面を平面により構成し、第２の面を凸面または凹面により構成してもよい。また、第１の面を凸面により構成し、第２の面を平面または凹面により構成してもよい。さらに、第１の面を凹面により構成し、第２の面を平面または凸面により構成してもよい。

また、レンズ４１として、屈折力が正のレンズを用いてもよい。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

この出願は、２０１１年６月２日に出願された日本出願特願２０１１−１２４３３１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

光源と、
前記光源から出射された光ビームを集光する、焦点距離が可変の可変焦点光学素子と、
前記可変焦点光学素子によって集光された光ビームで被投射面上を走査する走査手段と、
入力映像信号に基づいて前記走査手段を制御して前記被投射面上に画像を表示させるとともに、前記走査手段の走査角に応じて前記可変焦点光学素子の焦点距離を制御する制御部と、を有し、
前記可変焦点光学素子は、
互いの光軸が平行であり、各光軸に直交する方向に並べて配置された第１および第２のレンズと、
前記光源からの前記光ビームが前記第１のレンズを介して入射され、該入射した光ビームを前記第２のレンズに向けて折り返す反射素子と、
前記第１および第２のレンズと前記反射素子の一方もしくは両方を前記第１および第２のレンズの各光軸に沿って平行移動させるアクチュエータ部と、を有し、
前記制御部は、前記アクチュエータ部を制御して前記可変焦点光学素子の焦点距離を変化させる、画像表示装置。
前記反射素子は、
前記第１のレンズの光軸に平行な光線を９０°の角度で偏向する第１の反射面と、
前記第１の反射面で偏向した前記光線を前記第２のレンズへ向けて９０°の角度で偏向する第２の反射面と、を有する、請求項１に記載の画像表示装置。
前記第１および第２の反射面は、互いの反射面が直交するように配置された第１および第２の平面ミラーである、請求項２に記載の画像表示装置。
前記第１および第２の反射面の少なくとも一方が曲面である、請求項２に記載の画像表示装置。
前記第１の反射面は凹面であり、前記第２の反射面は凸面または平面である、請求項４に記載の画像表示装置。
前記第１の反射面は平面であり、前記第２の反射面は凸面または凹面である、請求項４に記載の画像表示装置。
前記第１の反射面は凸面であり、前記第２の反射面は平面または凹面である、請求項４に記載の画像表示装置。
前記反射素子は、直角プリズムよりなり、前記第１および第２の反射面は前記直角プリズムの直角を成す２つの面よりなる、請求項２に記載の画像表示装置。
前記反射素子は、
互いの反射面が直交する第１および第２の平面ミラーと、
互いの反射面が直交する第３および第４の平面ミラーと、を有し、
前記第１の平面ミラーは、前記第３の平面ミラーと対向して配置され、
前記第２の平面ミラーは、前記第４の平面ミラーと対向して配置され、
前記アクチュエータ部は、
前記第１および第２の平面ミラーを平行移動させる第１のアクチュエータと、
前記第３および第４の平面ミラーを平行移動させる第２のアクチュエータと、を有し、
前記制御部は、前記第１および第２の平面ミラーの移動方向と前記第３および第４の平面ミラーの移動方向とが互いに反対方向となるように前記第１および第２のアクチュエータを制御する、請求項１に記載の画像表示装置。
前記反射素子は、
前記第１のレンズの前記光軸上に配置された、第１の偏光の光を透過させ、偏光方向が前記第１の偏光とは異なる第２の偏光の光を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第２のレンズの前記光軸上に配置された、前記第１の偏光の光を透過させ、前記第２の偏光の光を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１および第２のレンズと対向する位置に、前記第１および第２の偏光ビームスプリッタを挟んで配置された平面ミラーと、
前記第１および第２の偏光ビームスプリッタと前記平面ミラーとの間に配置された１／４波長板と、を有し、
前記アクチュエータ部は、前記平面ミラーを平行移動させるアクチュエータを有する、請求項１に記載の画像表示装置。
前記第１のレンズは、屈折率が正のレンズであり、前記第２のレンズは、屈折率が正または負のレンズである、請求項１から１０のいずれか１項に記載の画像表示装置。