JPWO2019163215A1 - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

装置を大型化することなく、安全に、高品質な投射画像を形成可能な画像形成装置を提供する。光源から出射された光線束４０を被投射面２に投射して投射画像３を形成する画像形成装置１であって、光線束４０を第１の方向と第１の方向と交差する第２の方向に反射偏向する光走査部１０と、反射偏向された光線束４０を被投射面２に導光する投射系９と、を備え、投射系９は、投射系９に入射した各光線束４０の主光線５、６、７、８の光路が、投射系９を構成する光学素子の入射面１１から出射面１４までの間で交差するよう構成される。

Description

本発明は、投射画像を形成する画像形成技術に関する。特に、超近接投射が可能な画像形成技術に関する。

光源からの光を２次元に偏向走査して画像を投射する小型の画像投射装置がある。

例えば、特許文献１には、「光を偏向走査する光偏向手段と、光偏向手段からの光を投射する投射光学系とを有する投射型表示光学系Ｐにおいて、投射光学系による投射光によって形成される画像の位置又は傾きを可変とする（要約抜粋）」投射型表示光学系が開示されている。

また、特許文献２には、「レーザ投射装置は、レーザ素子と、各レーザ素子からの光束が入射する入射光学系と、光束を２次元的に走査するための走査装置と、走査装置からの光束をスクリーンに投影する投影光学系などで構成され、走査装置は、主走査方向の偏向を行うための共振駆動ミラーを含み、走査装置からスクリーンまでの光路中において少なくとも１回光源像が形成され、投影光学系は、反射ミラーを含み、主走査方向に関して、主走査方向の周辺に向かうほど正のパワーが強くなるように設計されており、入射光学系は、主走査方向のパワーと副走査方向のパワーが互いに異なる（要約抜粋）」レーザ投射装置が開示されている。

また、特許文献３には、「光源手段と、該光源手段から発せられた光束を第１走査方向と、それに直交する第２走査方向の２次元方向に偏向する偏向手段と、該偏向手段で偏向された光束を被走査面上に導光する走査光学系とを有し、該偏向手段の偏向動作で該被走査面上を光走査する光走査装置において、該偏向手段は、該第１走査方向において正弦波駆動する偏向器を有し、該走査光学系を構成する１つの光学面は、第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に変化する形状で、該形状が、該第２走査方向に連なっている（要約抜粋）」光走査装置が開示されている。

また、非特許文献１には、光密度の高い領域では塵埃などの微粒子が捕捉され易くなる現象が開示されている。

特開２００４−２５２０１２号公報 特開２００８−１６４９５７号公報 特開２００６−１７８３４６号公報

Ａｓｈｋｉｎ ｅｔ ａｌ．：Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｂｅａｍ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ ｆｏｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． １１、Ｐ２８８−Ｐ２９０、 １９８６

投射型の画像形成装置では、画像形成装置から被投射面までの距離が短い近接投射になるほど画角が大きくなる。従って、特許文献３に記載の画像形成装置のように、投射画像の外周部に向かう光線束の主光線が発散型であると、投射光学系のサイズも大きくなる。

特許文献１および特許文献２に開示されている投射光学系では、投射画像の外周部に向かう光線束の主光線を、被投射面より前で交差させる。しかしながら、その交差位置は、投射光学系の最終出射面と被投射面との間、すなわち装置外である。一般に、交差位置では光エネルギー密度が高く、この交差位置が装置外にあると、利用者が誤って顔を近づけて覗き込んでしまった場合等に眼球内への入射光エネルギーが大きい。

このため、主光線の交差位置は投射光学系内にある方が望ましいが、交差位置が光学面の近傍にあると、上記非特許文献３に開示されているように、その光学面が汚れやすく、これは、投射画像の劣化につながる。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、装置を大型化することなく、安全に、高品質な投射画像を形成することができる近接投射の画像形成技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の画像形成装置は、光源から出射された光線束を被投射面に投射して投射画像を形成する画像形成装置であって、前記光線束を第１の方向と前記第１の方向と交差する第２の方向に反射偏向する光走査部と、反射偏向された前記光線束を前記被投射面に導光する投射系と、を備え、前記投射系は、当該投射系に入射した各前記光線束の主光線の光路が、前記投射系を構成する光学素子の入射面から出射面までの間で交差するよう構成されることを特徴とする。

本発明によれば、装置を大型化することなく、安全に、高品質な投射画像を形成することができる近接投射の画像形成技術を提供できる。上記以外の本発明の目的、構成、効果は、以下の説明で明らかにされる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の画像形成装置の使用状態を説明するための説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の画像形成装置の、それぞれ、ブロック図およびハードウェア構成図である。 本発明の実施形態の光源部を説明するための説明図である。 本発明の実施形態の走査前光学系を説明するための説明図である。 本発明の実施形態の走査部を説明するための説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施形態の光走査部の駆動波形を説明するための説明図である。 本発明の実施形態の光走査部のミラー面で反射偏向される光線を説明するための説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の投射系を説明するための説明図である。 （ａ）は、本発明の実施形態の投射系内での光線の経路を説明するための説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の一部拡大図である。 （ａ）は、本発明の実施形態の投射系内での光線の経路を説明するための説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の一部拡大図である。 本発明の実施形態の光学系の位置関係を示すテーブルである。 本発明の実施形態のｘｙｚ座標系とローカル座標系との関係を説明するための説明図である。 本発明の実施形態の光学系の各面形状を特定する非球面多項式の各係数のテーブルである。 本発明の実施形態の画像形成装置により形成された投射画像の歪曲性能を説明するための説明図である。 図１４に示す投射画像の結像性能を説明するための説明図である。

以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。

本実施形態の画像形成装置は、光の２次元走査により被投射面に画像を投射するための装置であり、例えば、ポケットプロジェクタ、データプロジェクタ、プロジェクションテレビ、車載用表示装置等の画像投射装置などに適用可能である。

＜画像形成装置の使用例＞
まず、本実施形態の画像形成装置の使用状態を説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、本実施形態の画像形成装置１の使用状態を示す図である。

本実施形態の画像形成装置１は、被投射面２に対向して配置され、被投射面２に光を投射し、被投射面２上に投射画像３を形成する。図１（ａ）において、４は、投射画像３の中心、５は、投射画像３の右上隅に、６は、投射画像３の左上隅に、７は、投射画像３の右下隅に、８は、投射画像３の左下隅に、それぞれ、向かう光線束の主光線である。また、４７は、投射画像３の上辺、４８は、投射画像３の高さ方向中央、４９は、投射画像３の下辺である。

以下、本実施形態では、被投射面２の法線１９方向をｚ軸方向、投射画像３の長手方向をｘ軸方向、投射画像３の短手方向をｙ軸方向とする座標系を用いる。なお、投射画像３は、矩形形状で、左右方向（幅方向、ｘ軸方向）を、長手方向と呼び、上下方向（高さ方向、ｙ軸方向）を、短手方向と呼ぶ。

また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転を、それぞれ、α、β、γ回転とし、ｘｙｚ座標系の原点は、後述する光走査部１０のミラー面の中心とする。

なお、図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、被投射面２は、ｘｙ面に平行に配置され、主光線４は、ｙｚ面に平行で、被投射面２の法線に対して傾斜角θ１をもって被投射面２に入射する。

＜画像形成装置の構成＞
次に、本実施形態の画像形成装置１の構成を説明する。図２（ａ）は、本実施形態の画像形成装置１の全体構成のブロック図である。

本実施形態の画像形成装置１は、制御装置２０と、光学系２６と、を備える。そして、画像形成装置１に接続される画像情報装置２７から得た画像を、被投射面２に投射する。

なお、画像情報装置２７は、画像形成装置１が、被投射面２に形成する投射画像３の元となる画像信号（元画像信号）を保持する装置である。元画像信号は、例えば、テレビ（ＴＶ）やＤＶＤなどのアミューズメント情報、地図や交通情報、外部カメラで取得した画像信号等である。画像情報装置２７は、保持する元画像信号を、画像形成装置１に出力する。

＜＜制御装置＞＞
制御装置２０では、画像情報装置２７から受け取った元画像信号をもとに、光学系２６を制御する。この制御に従って、光学系２６から被投射面２に向かって光が出射され、被投射面２に達した光が、被投射面２上を変調されながら走査されることで、被投射面２上に投射画像３が形成される。

これを実現するため、制御装置２０は、光源制御部２２と、走査系制御部２３と、を備える。

光源制御部２２は、画像情報装置２７から入力された元画像信号をもとに変調信号を生成して光源を駆動することにより、光源から出力する光の光量を制御する。これにより、投射画像３を形成する投射光の投射位置ごとの明るさのむらを抑えることができる。

走査系制御部２３は、画像情報装置２７から入力された元画像信号をもとに、光学系２６で補正しきれない歪曲や色歪を補正し、補正後の画像信号により光源部２５、光走査部１０を制御する。光走査部１０の制御の詳細は後述する。

投射画像３の光量や歪の補正は、光学性能から算出したデータをもとに補正データを生成して補正しても良い。また、投射画像３をカメラで撮影し、取得した撮影画像のデータをもとに補正データを生成して補正しても良い。

図２（ｂ）は、制御装置２０の、ハードウェア構成図である。本実施形態では、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）６２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）６３、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）６４、入力Ｉ／Ｆ６５、および出力Ｉ／Ｆ６６を備える。これらがバス６７を介して互いに接続されて構成される。制御装置２０の各部は、予めＲＯＭ６３等に格納されたプログラムを、ＣＰＵ６１がＲＡＭ６２にロードして実行することにより、実現される。

入力Ｉ／Ｆ６５には、画像情報装置２７が接続され、元画像信号が入力される。また、出力Ｉ／Ｆ６６には、光学系２６が接続され、処理結果および制御信号が出力される。例えば、走査系制御部２３は、後述する光学系２６の光源部２５、光走査部１０に制御信号を出力し、光源部２５、光走査部１０の動作を制御する。

なお、制御装置２０のハードウェア構成は上記に限定されず、制御回路と記憶装置との組み合わせにより構成されてもよい。

＜＜光学系＞＞
光学系２６は、制御装置２０の制御に従って、被投射面２に光を出射し、被投射面２に投射画像３を形成する。これを実現するため、光学系２６は、光源部２５と、走査前光学系１６と、光走査部１０と、投射系９とを備える。

＜光源部＞
光源部２５は、制御装置２０からの指示に従って、光線束を、走査前光学系１６を介して光走査部１０へ出射する。図３は、光源部２５の構成の一例の図である。

本図に示すように、光源部２５は、Ｒ（赤色）光を発生するレーザ光源３３Ｒと、Ｇ（緑色）光を発生するレーザ光源３３Ｇと、Ｂ（青色）光を発生するレーザ光源３３Ｂと、を備える。各レーザ光源から出射された光線束３４Ｒ、３４Ｂ、３４Ｂは、レンズ３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂにより略平行光の光線束３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂに整形される。各レーザ光源３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂとレンズ３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとの距離は、被投射面２上での各レーザ光の集光状態の差異が少なくなるように微調整される。

図３において、３７は、ミラー、３８は、赤色光を透過し緑色光を反射する特性を有する色合成素子、３９は、赤色光と緑色光とを透過し、青色光を反射する特性を有する色合成素子である。ミラー３７と色合成素子３８と、色合成素子３９とにより、光線束３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂは、共軸に合成された光線束４０になり、光源部２５から出射される。光源部２５から出射された光線束４０は、走査前光学系１６に向かう。

色合成素子３８および３９は、例えば、プリズムやダイクロイックミラーの組み合わせで構成される。光線束４０のサイズはφ１〜３ｍｍに設定される。

レーザ光源３３Ｒは、例えば、波長６３０ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。レーザ光源３３Ｇは、例えば、第２高調波発生を用いて、波長５３２ｎｍの光を発生する半導体励起の固体レーザで構成される。レーザ光源３３Ｂは、例えば、波長４４５ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。各レーザ光源を適切に設定することにより、投射画像は、綺麗な白色と色再現性の広い鮮やかな画像とすることができる。

各レーザ光源は、レーザチップへの注入電流、励起用レーザチップへの注入電流を変化させることで変調しても良いし、レーザ光源とは別に外部光変調器を用いて変調してもよい。外部光変調器としては音響光学変調器、電気光学変調器などがある。

なお、図３では、各色のレーザ光源がそれぞれ一つの場合を示したが、レーザ光源の個数はこれに限定されない。それぞれ一つ以上の光源を用いて光源部２５を構成してもよい。合成する光源の個数を増やすことでより明るい投射画像を形成することができる。

＜走査前光学系＞
走査前光学系１６は、図４に示すように、光源部２５から出射した光線束４０を収束光４０ａとし、光走査部１０へ入力させる。走査前光学系１６は、例えば、平凸の球面レンズで構成される。入力された光線束４０は、この球面レンズにより集束光（収束光）となる。走査前光学系１６に用いられる球面レンズは、例えば、ｎｄは１．５３１２、νｄは５６．０の樹脂で成型される。なお、図４に記載の各部については、後で説明する。

ここでは、走査前光学系１６を球面レンズで構成する場合を示したが、走査前光学系１６は、これに限定されない。光源部２５から出射した光線束４０を収束光４０ａとできればよく、例えば、シリンダレンズ、トロイダルレンズ、そのほかの非球面レンズ等のアナモフィックレンズを有したレンズで構成してもよい。

＜光走査部＞
光走査部１０は、光源部２５から出射され、走査前光学系１６を経た光線束４０（収束光４０ａ）を反射偏向することにより、走査する。図５は、光走査部１０の一例の拡大図である。

本図に示すように、光走査部１０は、反射面であるミラー２８と、ミラー２８を駆動させる駆動部と、を備える。ミラー２８は、駆動部により駆動されることにより、光源部２５からの光（レーザ光；光線束４０）を反射偏向する。ミラー２８の大きさは、例えば、１〜１．５ｍｍである。

駆動部は、ミラー２８に連結される第１トーションバネ２９と、第１トーションバネ２９に連結される保持部材３０と、保持部材３０に連結される第２トーションバネ３１と、第２トーションバネ３１に連結される保持部材３２と、不図示の永久磁石およびコイル等とを備える。本実施形態では、走査系制御部２３が、コイル流す電流を制御することにより、駆動部を制御し、その結果、ミラー２８を動作させる。

コイルは、ミラー２８に略平行に形成される。永久磁石は、ミラー２８が静止した状態にある時、ミラー２８と略平行な磁界が発生するよう配置される。コイルに電流を流すと、フレミングの左手の法則により、ミラー２８の面に略垂直なローレンツ力が発生する。ミラー２８は、ローレンツ力と、第１トーションバネ２９および第２トーションバネ３１の復元力とがつりあう位置まで回動する。

ミラー２８が持つ共振周波数でコイルに交流電流を供給することにより、ミラー２８は共振動作を行い、第１トーションバネ２９回りに回動する（β回転）。また、ミラー２８と保持部材３０とを合わせた共振周波数でコイルに交流電流を供給することにより、ミラー２８と第１トーションバネ２９と保持部材３０とは共振動作を行い、第２トーションバネ３１回りに回動する（α回転）。このようにして、２つの方向について、異なる共振周波数による共振動作が実現する。なお、共振周波数による共振動作の代わりに、共振動作ではない駆動を適用してもよい。

上述のような光走査部１０には、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーが用いられる。ＭＥＭＳミラーを用いることによって、単一の走査デバイスで２次元走査を行うことができ、部品点数の削減、組み立てや調整コストの低減化が図られる。また、ガルバノミラーを用いる場合より小型・軽量・コンパクトな構成となり、高速偏向も可能になるため、投射画像３の高解像度化も可能になる。

図６（ａ）および図６（ｂ）を参照してミラー２８の駆動波形について説明する。図６（ａ）は、光走査部１０の第１トーションバネ２９の駆動波形を示す図である。図６（ｂ）は、光走査部１０の第２トーションバネ３１の駆動波形を示す図である。

本実施形態の光走査部１０は、走査系制御部２３からの電流供給制御により、ミラー２８を、第１トーションバネ２９を回転軸とする方向および第２トーションバネ３１を回転軸とする方向に、それぞれ、往復の回転運動をさせる。

具体的には、光走査部１０は、図６（ａ）に示すように、第１トーションバネ２９を回転軸とする方向（β方向）に、ミラー２８を正弦波状に駆動（有効偏向角：±１２．９度、周期：３７．０μｓｅｃ）する。また、図６（ｂ）に示すように、第２トーションバネ３１を回転軸とする方向（α方向）に、ミラー２８を鋸歯状に駆動（有効偏向角：±７．１度、周期：１６．７ｍｓｅｃ）する。

なお、有効偏向角とはミラー２８の偏向角のうち画像形成を行う最大角度である。また、この場合の「偏向」は、光線の有無、光の進路方向とは関係なく、単にミラー面（あるいはミラー面の法線）の向きが変わることを意味する。

図６（ａ）に示す駆動波形５１に従って、ミラー２８はβ方向に回転し、ミラー２８により反射偏向された光は被投射面２上をｘ軸方向に走査する。また、図６（ｂ）に示す駆動波形５２によりミラー２８はα方向に回転し、ミラー２８により反射偏向された光は被投射面２上をｙ軸方向に走査する。

図６（ａ）のＳ１が投射画像の形成を行う一走査の走査開始時刻、Ｅ１が走査終了時刻である。ミラー２８は往復回転運動をする。Ｓ１からＥ１までが一走査の往路の走査時間であり、Ｓ２からＥ２までが復路（二走査線目）の走査時間である。図６（ｂ）のＳ１’からＥ１’までが投射画像の全走査線が形成されるまでの時間であり、これが一画面の形成に要する時間である。つまり、駆動波形５２の一周期である１６．７［ｍｓｅｃ］が、本実施形態の画像形成装置１における一画面の描画に要する時間である。

図７は、光走査部１０のミラー２８に入射する光線が、ミラー２８で反射偏向されて２次元的に走査される様子を説明するための図である。ミラー２８に入射する光線は、実際には光源部２５から出射した光線束４０（収束光４０ａ）であるが、ここでは煩雑を避けるために光線束４０（収束光４０ａ）の主光線１５の光線だけを示す。

ミラー２８は、偏向角ゼロのときを基準状態とする。ミラー２８への入射する光線（主光線）１５は、ｙｚ面内でミラー面の法線４１に対して傾斜角θ２を有する方向からミラー面に入射する。図中の４２は、ミラー２８が基準状態のとき、入射した主光線１５が、ミラー２８で反射されて得られる反射光線である。また、図中、４３は、ミラー２８のβ方向の回転により反射偏向される光線の軌跡、４４は、ミラー２８のα方向の回転により反射偏向される光線の軌跡である。

本図に示すように、主光線１５の有効反射偏向角は、ミラー２８の有効偏向角の２倍であるため、β方向に±２５．９度、α方向に±１４．３度となる。

上述したように、光走査部１０のミラー２８は、β方向には正弦波状、α方向には鋸歯状に駆動されるので、ミラー２８で反射した光をそのまま被投射面２に照射しても、被投射面２を走査する光の走査速度は等速にはならない。そこで、等速性の確保のために、ｘ方向にはｆアークサイン特性、ｙ方向にはｆ−θ特性を持たせた投射系９を介し、被投射面２に投射する。

＜投射系＞
次に、投射系９を説明する。投射系９は、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、光走査部１０により反射偏向された光（光線束）を、被投射面２に導光し、結像させる。光走査部１０のミラー２８により偏向された光の偏向角は、投射系９によりいずれも拡大され画角に変換される。被投射面２を結像走査する際、光変調することによって被投射面２には投射画像３が形成される。

なお、図８（ａ）および図８（ｂ）は、画像形成装置１から被投射面２に向かう主光線１５をそれぞれのｘｚ断面、ｙｚ断面から見た図である。ただし、図８（ａ）および図８（ｂ）では煩雑を避けるため、投射系９から被投射面２までに限定して示す。

本実施形態の投射系９は、複数の透過部と反射部とを有し、光線束４０が内部で少なくとも２回反射したのち、投射系９から出射するよう構成される。また、光走査部１０で走査されて入射する各光線束４０の主光線１５の光路が、投射系９内で交差するよう構成される。

本実施形態の投射系９の、この光線の伝播の様子を、図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）および図１０（ｂ）を用いて説明する。

図９（ａ）、図１０（ａ）は、それぞれ、図８（ａ）、図８（ｂ）の投射系９の断面内での主光線１５の経路と光走査部１０に入反射する光線の経路を示す図である。また、図９（ｂ）、図１０（ｂ）は、それぞれ、図９（ａ）、図１０（ａ）におけるに光走査部１０の位置部をさらに拡大した図である。

先述したように光源部２５から出射し、走査前光学系１６を介して光走査部１０に入射する光は光線束４０である。しかしながら、図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）および図１０（ｂ）においても、煩雑を避けるために、光線束４０の主光線１５の光路だけを示す。主光線１５の有効反射偏向角は、前述したように、β方向に±２５．９度、α方向に±１４．３度である。

図９（ａ）、図１０（ａ）に示すように、本実施形態の投射系９は、例えば、独立した透過部（入射面１１および出射面１４）と反射部（第１反射面１２および第２反射面１３）とをそれぞれ２面ずつ有する単一の光学素子で構成される。この光学素子は、例えば、ｎｄ（屈折率）が１．５３２、νｄ（アッベ数）が５６．０の樹脂で成型される。また、第１反射面１２、第２反射面１３には反射部材がコーティングされておりミラー面が形成される。

図１０（ａ）に示すように、光走査部１０で反射偏向された主光線１５ａは、まず入射面１１から投射系９内に入射し、その後、第１反射面１２、第２反射面１３の順で反射したのち、出射面１４を経て投射系９から出射する。

光走査部１０に入射した主光線１５は、ミラー２８で反射偏向される。反射偏向された主光線１５ａのうち、投射画像３の外周部に向かう主光線は、ミラー２８を中心とした発散光線（図９（ｂ）、図１０（ｂ）の４５）になる。

上述のように、本実施形態の投射系９は、発散する各主光線４５が投射系９内でいったん集束するよう構成される。すなわち、本実施形態の投射系９は、各主光線４５の光路が、投射系９の内部で交差するよう構成される。投射系９の内部とは、入射面１１から出射面１４までの間の位置である。本実施形態では、特に、第１反射面１２と第２反射面１３との間で交差するよう構成する。

以下、本明細書では、各主光線４５の光路が交差する位置を、集束位置と呼ぶ。図９（ａ）、図１０（ａ）では、位置１７が、各主光線４５の集束位置である。

また、本実施形態の光学系２６は、さらに、図４に示すように、光源部２５から出射し、走査前光学系１６を経て収束光４０ａとなった光線束の各光線が、光線束単位で、投射系９内で収束するよう構成される。各光線束において、構成する各光線が収束する位置を収束位置と呼ぶ。収束位置は、図中の１８である。

次に、上述の各特性、すなわち、光線束４０の各主光線４５の光路が投射系９内で交差し、かつ、光線束４０（収束光４０ａ）を構成する各光線が、投射系９内で収束する、本実施形態の光学系２６を実現する、具体的な仕様の一例を、以下に示す。

具体的な仕様として、走査前光学系１６、光走査部１０、および投射系９の、各面の位置関係の一例を、図１１のテーブル７１に示す。テーブル７１には、各面の位置と各面の傾きとを示す。なお、図１１のテーブル７１は、被投射面２における投射画像３の画像サイズが４０インチ（横全幅８８５．６×縦全幅４９８．２ｍｍ）である場合の例である。

テーブル７１には、まず、各面の位置として、走査前光学系１６を構成する集光レンズの入射面の面頂点、同集光レンズの出射面の面頂点、光走査部１０のミラー２８の反射面の面中心、投射系９の入射面１１の面頂点、投射系９の第１反射面１２の面頂点、投射系９の第２反射面１３の面頂点、投射系９の出射面１４の面頂点および被投射面の面中心の、ｘｙｚ座標系における座標値（ｘ、ｙ、ｚ）が示してある。

ここで用いるｘｙｚ座標系の原点は、先述のように、光走査部１０のミラー２８の中心であり、ｚ軸の方向は、被投射面２の法線の方向である。なお、テーブル７１の例では、ミラー２８が基準状態（偏向角がゼロ）にあるときのミラー２８の法線と被投射面２の法線との方向は、同じ向きであり、ｚ軸の方向はまた、ミラー２８が基準状態（偏向角がゼロ）にあるときのミラー２８の法線方向である。

テーブル７１には、また、各面の回転角（α、β、γ）の値が示してある。回転角（α、β、γ）は、ｘｙｚ座標系のそれぞれの軸まわりの回転角で、右ネジまわりの回転を正としている。

図１２は、光走査部１０のミラー２８の反射面中心にとったグローバル座標系（ｘｙｚ座標系）と各面のローカル座標系（ｘ’ｙ’ｚ’座標系）との関係を模式的に示したものである。ｘ’ｙ’ｚ’座標系は、まず、ｘｙｚ座標系をテーブル７１に示したｘｙｚの各座標位置に変位させ、つぎにその座標系を、α→β→γの順に回転させたもので、ｘ軸はｘ’軸、ｙ軸はｙ’軸、ｚ軸はｚ’軸になる。ただし、テーブル７１において、βとγはいずれもゼロなので、ｙ軸まわりとｚ軸まわりの回転は生じない。

図１２において、α０は、走査前光学系１６の入射面と出射面の回転量（回転角α）で、テーブル７１より、α０＝１８．３７０度になる。同様に、α１は、投射系９の入射面１１の回転量（回転角α）で、α１＝−１８．３７０度である。α２は、投射系９の第１反射面の回転量（回転角α）で、α２＝４．０００度である。α３は、投射系９の第２反射面の回転量（回転角α）で、α３＝−１８．０６５度である。α４は、投射系９の出射面１４の回転量（回転角α）で、α４＝−６２．５００度である。被投射面２の座標系の回転量（回転角α）はゼロである。

各面の形状は、それぞれのローカル座標系（ｘ’ｙ’ｚ’座標系）の値を用いて、以下の非球面多項式（１）で表現される。

ここで、ｚ’は、各面のサグ量（プロファイル）、Ｒは、各面の曲率半径、Ｋは、円錐定数、Ｃ_ｊ（ｍ、ｎ）は、非球面係数である。また、ｃ（中心曲率１／Ｒ）、円錐定数Ｋおよび非球面係数Ｃｊ（ｊ＝１〜６６）を、図１３のテーブル７２に示す。

テーブル７２に示すように、ミラー２８、投射系９を経て投射画像３の中心に向かう主光線４の光線経路において、投射系９の入射面１１、第１反射面１２、第２反射面１３、出射面１４の各面のパワー（屈折力）は順に負、正、正、正に構成される。

以上説明したように、本実施形態の画像形成装置１は、光走査部１０で反射偏向され、発散する主光線４５を、投射系９内で集束させる。本実施形態によれば、このように、発散する主光線４５を交差させるため、投射系９の大型化を抑制でき、これに伴い、画像形成装置１全体の小型化を実現できる。

さらに、この交差位置（集束位置１７）を投射系９内とする。従って、光エネルギー密度が高い領域も、投射系９内となる。従って、安全な画像形成装置１を実現できる。

さらに、本実施形態によれば、上述のように、主光線４５の集束位置１７を、投射系９を構成する光学素子内の、入射面１１および出射面１４から離れた第１反射面１２と第２反射面１３との間に位置させる。これにより、光による粒子捕捉効果による入射面１１および出射面１４の汚れを防止でき、投射画像３の画質を維持できる。

また、本実施形態では、光走査部１０に入射する光線束４０を収束光４０ａとし、その収束光４０ａ自体の収束位置１８を投射系９内とする。これにより、投射系９の大型化をさらに抑制できる。また、投射系９内での各光線束４０のサイズが小さくなり、分離されるため、被投射面２での結像特性を劣化させることなく、投射系９を構成する各光学面で投射画像の歪曲補正が容易になる。これにより、投射画像３のさらなる高品質化を実現できる。

また、本実施形態の画像形成装置１によれば、投射系９内で、入射した光線束４０を多重反射させる。すなわち、光線束４０の主光線１５の光路が折り畳まれる。このため、投射系９の厚みを薄くすることができ、投射系９が占有する空間を少なくすることができる。従って、投射系９の、さらなる小型化、コンパクト化を実現できる。

例えば、テーブル７１に示す例においては、投射系９の出射面１４から被投射面２までの距離ｄ（ｚ座標の差）は１７５ｍｍである。本実施形態では、上述のように、被投射面２に形成される投射画像３のサイズは４０インチの場合を例にあげて説明している。よって、投射画像３の横全幅（幅方向の長さ）Ｗは、８８５．６ｍｍ、縦全幅Ｈは、４９８．２ｍｍである。よって、本実施形態の画像形成装置１の投射距離の短縮率であるスローレシオ（ｄ／Ｗ）は、略０．２である。

本発明の画像形成装置１においては、スローレシオは０．３以下であってもよい。一般にスローレシオが小さい近接投射の画像形成装置１の場合、画角が大きくなるため、投射系９が大きくなりがちである。しかしながら、本実施形態によれば、光学系２６を上述のように構成することで、装置を大型化させることなく、略０．２と良好なスローレシオの超近接投射の画像形成装置を実現できる。

また、本実施形態では、主光線１５を、ｙｚ面内でミラー面の法線４１に対して傾斜角θ２を有する方向からミラー面に入射させる。すなわち、偏向角の小さい方向から入射させる。これにより、偏向角の大きい方向から入射させる場合に比べて、入射光と投射系との干渉を抑制できる。また、入射角を小さくすることができ、投射画像３の歪曲補正量も低減できる。このため、投射画像の高品質化を達成できる。

さらに、本実施形態の画像形成装置１は、制御装置２０が投射画像３を形成する投射光の投射位置ごとの明るさのむらを補正するための光源制御部２２を備える。また、光学系２６で補正しきれない歪曲や色歪を補正するための走査系制御部２３を備える。これらの構成により、明るさのむら、歪の無い良好な投射画像３を形成することができる。

また、本実施形態によれば、上記投射系９を、入射面１１、出射面１４、第１反射面１２および第２反射面１３を備える投射系９で実現する。このとき、各面は、それぞれ独立した光学面であるため、それぞれ、独立して収差補正ができる。これにより、得られる投射画像３の高品質化を実現できる。

また、本実施形態では、投射系９は、単一の光学素子で構成される。従って、投射系９を構成する部品点数が最小限になる。よって、投射系９が占有する空間を少なくすることができ、画像形成装置１の小型化、低コスト化が実現できる。また、複数の光学素子により構成される投射系と比較して、光学素子の配置誤差に伴う投射画像の品質の劣化を最小限に抑えることができるので、画像形成装置１の高品質化が実現できる。

また、テーブル７１より、ミラー２８の中心のｙ座標は０ｍｍ、投射画像３の中心のｙ座標は３７２．３ｍｍである。従って、投射画像３の下辺（図１（ａ）における４９）のｙ座標は１２３．２ｍｍである。

つまり、ミラー２８が基準状態にあるとき、ミラー２８の中心を通る法線と前記被投射面２との交点は、投射画像３の最下端より下である。すなわち、ミラー２８の中心を通る法線は、投射画像３外を通る。

本実施形態の画像形成装置１は、上述の構成とすることにより、例えば、画像形成装置１を床上に配置し、壁面に画像を投射する場合に、画像形成装置１を傾斜させる必要がない。これにより、画像形成装置１を傾斜させるための脚部を設ける必要が無いため、装置の低コスト化に寄与する。また、装置使用者の利便性が向上する。

以下、本実施形態の画像形成装置１により形成された投射画像３の光学性能を説明する。なお、ここでは、投射画像３の画像サイズが４０インチ（横全幅８８５．６×縦全幅４９８．２ｍｍ）、解像度が１９２０（ｘ軸方向）×７２０（ｙ軸方向）、すなわち、一画素サイズは、横０．４６ｍｍ×縦０．６９ｍｍの場合の例を示す。

図１４は、歪曲性能を示す図で、本実施形態の画像形成装置１により形成された格子パターンの投射画像４６である。格子パターンの各々の格子点は、それぞれ、理想的および実際のビーム位置を表す。各格子点の歪曲量ｄＡは、（ｄＲ−ｄＩ）／ｄＩで表される。なお、ｄＩは、ローカル座標系の原点から各々の、理想的なビーム位置の格子点までの距離、ｄＲは、ローカル座標系の原点から各々の、実際のビーム位置の格子点までの距離である。

本図に示すように、本実施形態の画像形成装置１では、形成画像の各格子点の歪曲量ｄＡは、−２〜２％の範囲内に抑えられている。

例えば、図１４の位置（Ｂ）の、理想的なビーム位置のｘ’、ｙ’座標は、（−４４２．８，２４９．１）であり、実際のビーム位置の同座標は、（−４３９．０，２４８．３）である。従って、歪曲量ｄＡは、−０．７％である。また、位置（Ｄ）では、それぞれ、（−４４２．８，０）、（−４３６．５，０．１）であり、歪曲量ｄＡは、−１．４％である。

また、図１５には、図１４に示す投射画像３の各位置（Ａ）〜（Ｆ）における、光線束の結像性能（スポットダイヤグラム）を示す。なお、（Ａ）は、投射画像３の中央上、（Ｂ）は、同上隅、（Ｃ）は同中央、（Ｄ）は、同中央右、（Ｅ）は、同中央下、（Ｆ）は、同下隅の点である。本図に示すように、本実施形態の画像形成装置１によれば、各光線束は前記一画素サイズよりも十分小さく集束しており、良好な結像特性を示している。

なお、上記実施形態では、光源部２５を出射した光線束４０は、そのまま走査前光学系１６を透過し、光走査部１０へと導かれる。しかしながら、光源部２５と走査前光学系１６との間に、例えば、ミラー等を配置してもよい。これにより、光路を折り畳み、さらに光学系をコンパクトにできる。また、両者の間に光学素子を追加してビーム形状を整形しても良い。

また、同様に、走査前光学系１６と光走査部１０との間にも、ミラー等を配置してもよい。

また、上記実施形態では、投射系９を、単一の光学素子で実現する場合を例にあげて説明したが、投射系９は、これに限定されない。例えば、複数の光学素子を組み合わせて、上記実施形態の投射系９と同様の機能を実現してもよい。この場合、各主光線の光路の交差点は、いずれかの光学素子内であることが望ましい。

本実施形態では投射画像サイズが４０インチの場合を示したが、本実施形態の画像形成装置１は、いわゆるレーザ走査型プロジェクタであり、レーザ光を用いることによるフォーカスフリーの特徴を有している。このため、画像形成装置１から被投射面までの距離を本実施形態よりも遠ざけて、投射画像サイズを４０インチ以上にした場合であっても、被投射面２に集光するスポットサイズと投射画像３の画素サイズがともに大きくなっていき、画質の劣化がない投射画像３を実現できる。

上記実施形態は、本発明を限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない様々な変更態様は、本発明の技術的範囲に属する。

１：画像形成装置、２：被投射面、３：投射画像、４：主光線、５：主光線、６：主光線、７：主光線、８：主光線、９：投射系、１０：光走査部、１１：入射面、１２：第１反射面、１３：第２反射面、１４：出射面、１５：主光線、１５ａ：主光線、１５ｂ：主光線、１６：走査前光学系、１７：集束位置、１８：収束位置、１９：法線、
２０：制御装置、２２：光源制御部、２３：走査系制御部、２５：光源部、２６：光学系、２７：画像情報装置、２８：ミラー、２９：第１トーションバネ、
３０：保持部材、３１：第２トーションバネ、３２：保持部材、３３Ｂ：レーザ光源、３３Ｇ：レーザ光源、３３Ｒ：レーザ光源、３４Ｂ：光線束、３４Ｒ：光線束、３５Ｂ：レンズ、３５Ｇ：レンズ、３５Ｒ：レンズ、３６Ｂ：光線束、３６Ｇ：光線束、３６Ｒ：光線束、３７：ミラー、３８：色合成素子、３９：色合成素子、
４０：光線束、４０ａ：収束光、４１：法線、４５：主光線、４６：投射画像、５１：駆動波形、５２：駆動波形、６１：ＣＰＵ、６２：ＲＡＭ、６３：ＲＯＭ、６４：ＨＤＤ、６５：入力Ｉ／Ｆ、６６：出力Ｉ／Ｆ、６７：バス、７１：テーブル、７２：テーブル

このため、主光線の交差位置は投射光学系内にある方が望ましいが、交差位置が光学面の近傍にあると、上記非特許文献１に開示されているように、その光学面が汚れやすく、これは、投射画像の劣化につながる。

本実施形態の画像形成装置１は、被投射面２に対向して配置され、被投射面２に光を投射し、被投射面２上に投射画像３を形成する。図１（ａ）において、４は、投射画像３の中心、５は、投射画像３の左上隅に、６は、投射画像３の右上隅に、７は、投射画像３の左下隅に、８は、投射画像３の右下隅に、それぞれ、向かう光線束の主光線である。また、４７は、投射画像３の上辺、４８は、投射画像３の高さ方向中央、４９は、投射画像３の下辺である。

本図に示すように、光源部２５は、Ｒ（赤色）光を発生するレーザ光源３３Ｒと、Ｇ（緑色）光を発生するレーザ光源３３Ｇと、Ｂ（青色）光を発生するレーザ光源３３Ｂと、を備える。各レーザ光源から出射された光線束３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂは、レンズ３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂにより略平行光の光線束３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂに整形される。各レーザ光源３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂとレンズ３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとの距離は、被投射面２上での各レーザ光の集光状態の差異が少なくなるように微調整される。

Claims (11)

1. 光源から出射された光線束を被投射面に投射して投射画像を形成する画像形成装置であって、
   前記光線束を第１の方向と前記第１の方向と交差する第２の方向に反射偏向する光走査部と、
   反射偏向された前記光線束を前記被投射面に導光する投射系と、を備え、
   前記投射系は、当該投射系に入射した各前記光線束の主光線の光路が、前記投射系を構成する光学素子の入射面から出射面までの間で交差するよう構成されること
   を特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１記載の画像形成装置であって、
   前記投射系は、
   前記入射面から当該投射系に入射した前記光線束を反射する第１反射面と、
   前記第１反射面で反射した前記光線束を前記出射面に向けて反射する第２反射面と、を備えること
   を特徴とする画像形成装置。
3. 請求項２記載の画像形成装置であって、
   前記入射面、前記出射面、前記第１反射面および前記第２反射面は、それぞれ独立した面であって、異なる非球面多項式で表現されること
   を特徴とする画像形成装置。
4. 請求項２記載の画像形成装置であって、
   前記投射系は、前記入射面から当該投射系に入射した各前記光線束の主光線の光路が、前記第１反射面から前記第２反射面までの間で交差するよう構成されていること
   を特徴とする画像形成装置。
5. 請求項１記載の画像形成装置であって、
   前記投射系は、単一の光学素子で構成されること
   を特徴とする画像形成装置。
6. 請求項１記載の画像形成装置であって、
   前記光走査部に入射する前記光線束を収束光とする走査前光学系をさらに備えること
   を特徴とする画像形成装置。
7. 請求項６記載の画像形成装置であって、
   前記収束光の収束位置は、前記投射系の内部であること
   を特徴とする画像形成装置。
8. 請求項１記載の画像形成装置であって、
   前記光走査部は、
   入力された前記光線束を反射する反射面と、
   前記反射面を前記第１の方向と前記第２の方向とに往復の回転運動させる駆動部と、を備え、
   前記反射面の回転角がゼロのとき、前記反射面の法線と前記被投射面との交点は、前記投射画像外であること
   を特徴とする画像形成装置。
9. 請求項８記載の画像形成装置であって、
   前記第１の方向に反射偏向される前記光線束の偏向角の最大値が、前記第２の方向に反射偏向される前記光線束の偏向角の最大値よりも大きい場合、前記光線束の主光線は、前記反射面の回転角がゼロのときの、前記法線と前記第２の方向とで定まる平面内で当該法線に対して所定の傾斜角を有する方向から前記光走査部に入射すること
   を特徴とする画像形成装置。
10. 請求項１記載の画像形成装置であって、
    前記光走査部は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを備えること
    を特徴とする画像形成装置。
11. 請求項１記載の画像形成装置であって、
    前記出射面から前記被投射面までの距離をｄ、前記投射画像の幅方向の長さをＷとするとき、ｄ／Ｗ≦０．３であること
    を特徴とする画像形成装置。

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