WO2012168980A1 - 画像表示装置 - Google Patents

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    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3129—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] scanning a light beam on the display screen

Definitions

  • the present invention relates to an image display device.
  • Patent Document 1 there is a problem that the movement locus of the scanning coordinates on the image plane is sinusoidal and has poor linearity. Further, according to Patent Document 2, there is a problem that the distance between the front and rear of the mirror needs to be increased, and the entire optical system is increased in size.
  • an object of the present invention is to provide an image display device having scanning characteristics with excellent linearity without increasing the size of the device.
  • the image display device includes: an optical scanning unit that scans light emitted from a light source in a first direction and a second direction of an image plane by reciprocating rotational movement of a reflection surface of the light; and An optical system that expands the scanning angle is provided.
  • the optical system includes a free-form surface lens on the optical scanning unit side and a free-form surface mirror on the image surface side.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating lens data of Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a mathematical expression and specific values of a free-form surface coefficient according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a distortion performance diagram of Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a light incident angle and a phase on an image plane according to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a light incident coordinate and a phase on an image plane according to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 6 is a ray diagram of Example 2.
  • FIG. 6 is another ray diagram of the second embodiment.
  • FIG. 5 is a detailed diagram of a free-form surface lens of Example 2.
  • FIG. 6 is a diagram showing lens data of Example 2.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating specific values of free-form surface coefficients according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a ray diagram of Example 3.
  • FIG. 6 is another ray diagram of the third embodiment.
  • FIG. 5 is a detailed view of a free-form surface lens of Example 3.
  • FIG. 6 is a diagram showing lens data of Example 3.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating specific values of free-form surface coefficients according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a distortion performance diagram of Example 3.
  • FIG. 6 is a relationship diagram between a conventional rotation angle and a scanning position.
  • the change figure of the swing angle by the conventional phase The figure which shows the relationship between the incident angle of the light ray in the conventional image surface, and a phase.
  • FIG. 27 is a system diagram including a conventional image display device.
  • the optical scanning unit 1 of the image display device 10 ′ scans the laser beam from the light source 4 on the image plane (screen) 20 while reflecting the laser beam with a reflection mirror having a rotation axis.
  • Each pixel 201 ' is scanned two-dimensionally along the scanning trajectory 202'.
  • FIG. 28 is an enlarged view of the optical scanning unit.
  • the optical scanning unit 1 is connected to a mirror 1a for deflecting laser light at a reflection angle, a first torsion spring 1b connected to the mirror 1a, a holding member 1c connected to the first torsion spring 1b, and a holding member 1c.
  • a second torsion spring 1d, and a permanent magnet and a coil (not shown).
  • the coil is formed substantially parallel to the mirror 1a, and when the mirror 1a is stationary, a magnetic field substantially parallel to the mirror 1a is generated.
  • a Lorentz force substantially perpendicular to the mirror 1a is generated according to Fleming's left-hand rule.
  • Mirror 1a rotates to a position where Lorentz force and restoring force of torsion springs 1b and 1d are balanced.
  • the mirror 1a By supplying an alternating current to the coil at the resonance frequency of the mirror 1a, the mirror 1a performs a resonance operation and the torsion spring 1b rotates.
  • the torsion spring 1b rotates.
  • the torsion spring 1d rotates. In this way, resonant operations with different resonant frequencies are realized in the two directions.
  • a sinusoidal drive may be applied although it is not the resonance operation.
  • FIG. 29 is a diagram showing the relationship between the conventional rotation angle and the scanning position. If the rotation angle of the optical scanning unit 1 is ⁇ / 2, the scanning angle that is the angle of the reflected light beam is ⁇ . Here, when no optical element is disposed between the optical scanning unit 1 and the image plane 20, the scanning angle ⁇ is equal to the incident angle ⁇ on the image plane 20. Therefore, the size of the scanned image for a certain projection distance is determined by the rotation angle ⁇ / 2.
  • FIG. 30 is a change diagram of the swing angle of the conventional mirror surface.
  • the swing angle ⁇ changes sinusoidally within a range of ⁇ ⁇ / 2.
  • FIG. 31 is a diagram showing the relationship between the incident angle and phase of the light beam on the conventional image plane
  • FIG. 32 is a diagram showing the relationship between the incident coordinate and phase of the light beam on the conventional image surface.
  • FIG. 32 has a sine wave shape similar to FIG.
  • the optical scanning unit 1 with a rotation angle of ⁇ 5.3 degrees is used. That is, the scanning angle is ⁇ 10.6 degrees, and the incident angle on the image plane is also ⁇ 10.6 degrees.
  • the driving method of the optical scanning unit 1 includes a galvano mirror that has a sawtooth wave-like rotation angle change in addition to a resonant mirror that has a sinusoidal wave-like rotation angle change.
  • a resonance type mirror having a high driving frequency is suitable.
  • scanning for one pixel in the vertical direction is performed in the horizontal direction while scanning for one reciprocation in the vertical direction is performed.
  • scanning for one scanning line is performed.
  • the display resolution number of pixels
  • the optical scanning unit 1 rotates in a sinusoidal manner, the angle change of the mirror 1a appears periodically, although it is fast and slow.
  • the change in the scan position on the image plane also becomes fast, and when the angle change is slow, the scan position on the image plane. Changes will also be slow. Therefore, light and dark corresponding to a sine wave is generated on the image plane.
  • the circuit processing that thins out the laser beam in a bright portion with a dense pixel distribution and a sinusoidal wave shape can be improved if it is only bright and dark on the image plane, the linearity of the two-dimensional image cannot be improved, and the circuit scale increases. However, the amount of light decreases. If the laser beam is modulated in accordance with the timing of pixel arrangement on the image plane, the linearity can be improved, but the circuit scale increases more and more.
  • a method using a plurality of reflecting surfaces can be considered in addition to the mirror, but if there is a shape error or decentration / falling of the optical component in manufacturing, the variation in the light beam angle at the mirror compared to the lens surface that is the transmission surface Is approximately doubled, making it difficult to manufacture an optical system using many mirrors. Furthermore, in an optical system using a plurality of mirrors, in order to secure an optical path before and after the reflection of laser light by the mirror, it is necessary to increase the distance before and after the mirror, and the entire optical system is increased in size.
  • FIG. 1 is a system diagram including an image display device.
  • the direction from the left to the right of the paper surface is defined as the X direction
  • the direction from the bottom to the top of the image surface 20 is defined as the Y direction
  • the direction from the front to the back of the paper surface is defined as the Z direction.
  • 2, 27, and 29 also use the same coordinate system as FIG.
  • a local coordinate system with the optical axis as the Z direction is handled.
  • the system includes an image display device 10, a structure 30 that holds the image display device 10, and an image plane 20.
  • the image display device 10 includes a light source 4, a light scanning unit 1 that deflects laser light from the light source 4 two-dimensionally, a free-form curved lens 2 that transmits and refracts the laser light deflected by the light scanning unit 1, and
  • the free-form surface mirror 3 reflects the laser light from the free-form surface lens 2 and guides it to the image plane 20. With these optical components, a two-dimensional scanning image having a rectangular and uniform light quantity distribution is displayed on the image plane 20 under the effect of improving the linearity and widening the angle (described later).
  • the optical scanning unit 1 may realize scanning in the long side direction and the short side direction with a single reflecting surface (mirror 1a), or may have each reflecting surface according to each direction. Good.
  • a shape which is rotationally asymmetric and has parameters as shown in FIGS. 8, 19 and 25 is called a free-form surface.
  • FIG. 2 is a view of the system of FIG. 1 as viewed from above.
  • the side corresponding to the X direction in the image plane 20 is longer than the side corresponding to the Y direction, the former is called a long side and the latter is called a short side. Further, the larger direction of the deflection angle of the reflecting surface corresponds to the long side direction, and the small direction corresponds to the short side direction.
  • the long side is substantially parallel to the first plane (XZ plane) defined by the incident ray and the reflected ray in the free-form surface mirror 3.
  • a free-form surface mirror 3 is arranged. This is because the free-form surface mirror 3 is arranged obliquely with respect to the long-side light beam having a large scanning amount, so that the light beam scanned at a scan angle that is twice a predetermined rotation angle can be obtained. This is because the range of coordinates reflected by is increased, and the degree of freedom of shape of the free-form mirror 3 is increased.
  • FIG. 3 is a ray diagram showing how the light beam emitted from the image display device 10 reaches a 5 ⁇ 5 division point on the image plane 20.
  • FIG. 4 is another ray diagram, in which the laser beam emitted from the light source 4 is deflected by the rotation of the optical scanning unit 1 and then reaches the image plane 20 via the free-form surface lens 2 and the free-form surface mirror 3. Show. Further, FIG. 5 is a detailed view of the free-form surface lens 2, which is composed of a first free-form surface lens 2a and a second free-form surface lens 2b.
  • FIG. 6 is a three-dimensional ray diagram.
  • FIG. 3 since it is difficult to understand that the light beam reflected by the free-form surface mirror 3 does not irradiate the free-form surface lens 2 again, FIG. 6 shows that optical path interference does not occur.
  • FIG. 7 shows a MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) mirror (resonance rotation of horizontal ⁇ 5.3 degrees, vertical ⁇ 2.9 degrees), a free-form surface lens, and a free-form lens as light scanning unit 1 from light source 4 that is the 0th surface
  • FIG. 8 is a diagram showing lens data of a curved mirror
  • FIG. 8 is a diagram showing formulas and specific values of free-form surface coefficients of the free-form surface.
  • FIG. 9 is a distortion performance diagram.
  • light beams having a scanning angle of the optical scanning unit 1 having a rotation angle of ⁇ 5.3 degrees in the long side direction (main scanning direction) and a rotation angle of ⁇ 2.9 degrees in the short side direction (sub-scanning direction) are phased.
  • the projection distance from the free-form surface mirror 3 shown in FIG. 7 is 100 mm and the scanning range is 600 ⁇ 450 mm on the image plane 20, it can be seen that widening is realized.
  • the incident angle changes sinusoidally within a range of ⁇ 10.6 degrees, which is twice the value of 5.3 degrees, and the incident coordinates also change sinusoidally within a range of ⁇ 26.6 mm.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the incident angle of the light beam on the image plane and the phase
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the incident coordinate of the light beam on the image surface of Example 1 and the phase.
  • the incident angle is largely changed by the action of the free-form surface lens 2 and the free-form surface mirror 3 to realize the triangular wave-like incident coordinates on the image plane 20 in a range of ⁇ 300 mm. That is, while the scanning range is ⁇ 26.6 mm in the conventional method, it is ⁇ 300 mm in the first embodiment, realizing a widening of a wide angle of 10 times or more.
  • the projection distance is defined by the length of a perpendicular drawn from the reference position that defines the arrangement position of the free-form curved mirror on the lens data to the image plane.
  • the value of L / X may be increased within a range not exceeding 1.
  • FIG. 12 shows the range of light rays where the principal ray coordinates exist as a result of light ray control by the free-form surface lens 2 and the free-form surface mirror 3. Since the long side direction of the optical scanning unit 1 is larger than the short side direction, the principal ray range on the fourth surface, which is the incident surface of the first free-form surface lens 2a, is a horizontally long region.
  • the 8th surface which is the free-form curved mirror 3 is a vertically long region
  • the long side direction (the horizontal direction in FIG. 12) is not extremely narrowed on the 8th surface, and the 8th surface is vertically long. This is a result of increasing the size as a degree of freedom. The reason for this will be described with reference to FIG.
  • FIG. 13 is a ray diagram in a cross section in the long side direction, and is a diagram that shows a ray diagram of the entire optical system and an enlarged view of the free-form surface lens 2 together.
  • the light beam L1 passing through the positive side of the X axis in FIG. 13 by the rotation of the optical scanning unit 1 is reflected by the free-form surface mirror 3 and reaches the coordinate P1 of the image plane 20.
  • the light beam L2 passing through the negative side of the X axis is reflected by the free-form surface mirror 3 and reaches the coordinate P2 of the image plane 20.
  • the optical path of the light beam L2 passing through the free-form surface lens 2b and the light beam L1 reflected by the free-form surface mirror 3 does not interfere with the free-form surface lens 2b.
  • the optical path length of the light beam L1 from the reflection by the free-form surface mirror 3 to the image plane is larger than the optical path length of the light beam L2. Therefore, in order to improve the linearity, it is necessary for the free-form surface lens 2 and the free-form surface mirror 3 to make the optical path length of the light beam L1 shorter than the optical path length of the light beam L2.
  • the lens thickness on the side through which the light beam L1 passes is increased. ”Is necessary.
  • FIG. 14 is a diagram of the sag amount in each optical element in the short side direction.
  • FIG. 14 is a diagram showing the shape of the free-form surface lens and mirror in the short side direction.
  • the first free-form surface lens 2a and the second free-form surface lens 2b in the short side direction are each a concave lens and have negative refractive power.
  • the free-form surface mirror 3 has a positive refractive power because the central portion is concave, and has a negative refractive power because the peripheral portion is convex.
  • the lens data of Example 1 has a plane-symmetric arrangement in the short side direction. By changing the plane-symmetric condition, that is, the arrangement relationship, the positive refractive power portion and the negative refraction are obtained. Since the force portion changes, it can be said that the free-form surface mirror 3 has a positive refractive power portion and a negative refractive power portion.
  • Example 2 will be described with reference to FIGS. 15 is a ray diagram of Example 2, FIG. 16 is another ray diagram of Example 2, FIG. 17 is a detailed diagram of a free-form surface lens of Example 2, and FIG. 18 is a diagram showing lens data of Example 2. 19 is a diagram showing specific values of the free-form surface coefficients of the second embodiment, and FIG. 20 is a distortion performance diagram of the second embodiment.
  • Example 3 will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 21 is a ray diagram of Example 3
  • FIG. 22 is another ray diagram of Example 3
  • FIG. 23 is a detailed diagram of a free-form surface lens of Example 3
  • FIG. 24 is a diagram showing lens data of Example 3.
  • 25 is a diagram showing specific values of the free-form surface coefficients of the third embodiment
  • FIG. 26 is a distortion performance diagram of the third embodiment.
  • the difference from the first embodiment is that the image plane size is 16: 9 according to the original wide screen, and the rotation angle of the optical scanning unit 1 (horizontal ⁇ 5.3 degrees, vertical ⁇ 2.9 degrees resonant rotation). ) In a two-dimensional range of 800 ⁇ 450 mm.
  • the linearity that is the distortion performance of FIG. 26 is improved from that of FIG. 9 that shows the linearity that is the distortion performance of the first embodiment, and was originally developed to scan the image plane of 16: 9. In the case of 1, it is better to scan the 16: 9 image plane as a combination. Needless to say, the scanning mirror developed at 16: 9 can also be applied to a 4: 3 image plane.
  • SYMBOLS 1 Optical scanning part, 2 ... Free-form surface lens, 3 ... Free-form surface mirror, 4 ... Light source, 10 ... Image display apparatus, 20 ... Image surface, 30 ... Structure, 1a ... Mirror, 1b ... 1st torsion spring, 1c ... holding member, 1d ... second torsion spring, 1e ... holding member.

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Abstract

装置を大型化することなく、線形性に優れた走査特性を有する画像表示装置を提供する。 当該画像表示装置は、光源から出射した光を、当該光の反射面の往復の回転運動により、像面の第１の方向及び第２の方向に走査する光走査部と、走査された光の走査角度を拡大する光学系を備え、当該光学系は、光走査部側に自由曲面レンズを有し、像面側に自由曲面ミラーを有する。第１の方向の長さは、第２の方向の長さよりも長く、光走査部が走査範囲の中央で静止している場合の自由曲面ミラーにおける入射光線と反射光線で定義される第１の平面に対して、第１の方向が略平行となるように自由曲面ミラーが配置されるようにしてもよい。

Description

画像表示装置
　本発明は、画像表示装置に関する。
　近年、画像信号に応じて光強度変調（以下、変調）されたレーザ光を二次元方向に走査する光走査装置を搭載し、当該光走査装置によりレーザ光を像面（例えばスクリーン）上で走査させて画像を描画する画像表示装置が提案されている（特許文献１、２参照）。
特開２０１０－１３９６８７号公報 特開２００６－１７８３４６号公報
　特許文献１によれば、像面上の走査座標の移動軌跡が正弦波状になり線形性が悪い、という課題がある。又、特許文献２によれば、ミラー前後の間隔を大きく取る必要があり光学系全体が大型化する、という課題がある。
　そこで、本発明の目的は、装置を大型化することなく、線形性に優れた走査特性を有する画像表示装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。
　当該画像表示装置は、光源から出射した光を、当該光の反射面の往復の回転運動により、像面の第１の方向及び第２の方向に走査する光走査部と、走査された光の走査角度を拡大する光学系を備え、当該光学系は、光走査部側に自由曲面レンズを有し、像面側に自由曲面ミラーを有する。
　本発明によれば、装置を大型化することなく、線形性に優れた走査特性を有する画像表示装置を提供することができる。
画像表示装置を含むシステム図。 図１のシステムを上から見た図。 実施例１の光線図。 実施例１の別の光線図。 実施例１の自由曲面レンズの詳細図。 実施例１の３次元的な光線図。 実施例１のレンズデータを示す図。 実施例１の自由曲面係数の数式と具体値を示す図。 実施例１の歪性能図。 実施例１の像面における光線の入射角度と位相の関係を示す図。 実施例１の像面における光線の入射座標と位相の関係を示す図。 主光線の座標が存在する光線の範囲を示す図。 長辺方向の断面での光線図。 短辺方向の自由曲面レンズ及びミラーの形状を示す図。 実施例２の光線図。 実施例２の別の光線図。 実施例２の自由曲面レンズの詳細図。 実施例２のレンズデータを示す図。 実施例２の自由曲面係数の具体値を示す図。 実施例２の歪性能図。 実施例３の光線図。 実施例３の別の光線図。 実施例３の自由曲面レンズの詳細図。 実施例３のレンズデータを示す図。 実施例３の自由曲面係数の具体値を示す図。 実施例３の歪性能図。 従来の画像表示装置を含むシステム図。 光走査部の拡大図。 従来の回動角と走査位置の関係図。 従来の位相による振り角の変化図。 従来の像面における光線の入射角度と位相の関係を示す図。 従来の像面における光線の入射座標と位相の関係を示す図。
　以下、本実施例との比較のため、まずは従来技術について説明する。図２７は、従来の画像表示装置を含むシステム図である。
　画像表示装置１０’の光走査部１は、光源４からのレーザ光を、回動軸を有する反射ミラーで反射させながら、像面（スクリーン）２０上に走査する。各画素２０１’は、走査軌跡２０２’に沿って二次元状に走査される。
　図２８は、光走査部の拡大図である。
　光走査部１は、レーザ光を反射角度で偏向するミラー１ａ、ミラー１ａに連結される第１のトーションバネ１ｂ、第１のトーションバネ１ｂに連結される保持部材１ｃ、保持部材１ｃに連結される第２のトーションバネ１ｄ、及び、図示しない永久磁石とコイルとからなる。
　コイルはミラー１ａに略平行に形成されており、ミラー１ａが静止した状態にある時、ミラー１ａと略平行な磁界が発生する。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１ａと略垂直なローレンツ力が発生する。
　ミラー１ａは、ローレンツ力と、トーションバネ１ｂと１ｄの復元力がつりあう位置まで回動する。ミラー１ａ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１ａは共振動作を行い、トーションバネ１ｂは回動する。又、ミラー１ａと保持部材１ｃ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１ａとトーションバネ１ｂと保持部材１ｃは共振動作を行い、トーションバネ１ｄは回動する。このようにして、２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。
　尚、共振周波数による共振動作の代わりに、共振動作ではないが正弦波状の駆動を適用してもよい。
　図２９は、従来の回動角と走査位置の関係図である。光走査部１の回動角をβ／２とすれば、反射光線の角度である走査角はβとなる。ここで、光走査部１と像面２０の間に何の光学要素も配置しない場合、走査角βは像面２０での入射角αに等しくなる。従って、ある投射距離に対する走査像の大きさは回動角β／２で決まる。
　図３０は、従来のミラー面の振り角の変化図である。振り角θは、±β／２の範囲で正弦波状に変化する。
　図３１は従来の像面における光線の入射角度と位相の関係を示す図、図３２は従来の像面における光線の入射座標と位相の関係を示す図である。図３２は、図３１と似た正弦波状となっている。
　ここでは、回動角±５．３度の光走査部１を用いた場合の例を示している。即ち、走査角は±１０．６度となり、像面での入射角も±１０．６度となる。
　尚、光走査部１の駆動方式には、正弦波状の回動角変化となる共振型ミラー以外には、ノコギリ波状の回動角変化となるガルバノミラーも存在するが、高解像度の画像表示には、駆動周波数が大きい共振型ミラーが適している。
　ここで、テレビの走査線に対応した２次元状の走査では、垂直方向に１往復分の走査を行う間に、水平方向に、垂直方向の画素分の走査を行う。こうして、走査線１本分の走査が行われることになる。例えば、水平８００画素、垂直６００画素の表示を垂直周波数６０Ｈｚで行うためには、３００往復が必要であり、６０×３００＝１８０００Ｈｚという高速な周波数で駆動できることが必要となる。そして、表示する解像度（画素数）が大きくなればなるほど、ますます高速な周波数で駆動することが必要となる。一方、一定の投射距離で大きな走査像を実現するためには、光走査部１の回動角を大きくする必要がある。
　光走査部１を、更に高速で大きな回動角で駆動すると、可動部分である機構部品のトーションバネ１ｂ・１ｄの負担が増大する。従って、共振型ミラーでは、高速な周波数と大きな回動角を同時に実現することは困難であった。
　又、光走査部１の正弦波状な回動では、ミラー１ａの角度変化に速い・遅いが周期的に現れる。当該回動のみで像面２０上をレーザ光が走査された場合、ミラーの角度変化が速い時は像面での走査位置の変化も速くなり、角度変化が遅い時は像面での走査位置の変化も遅くなる。従って、像面上には正弦波に対応した明暗が像面上に生じる。
　時間に対して等間隔でレーザ光を変調する場合も同様に、ミラー１ａの角度変化が速い時は像面上の画素が粗に配置され、角度変化が遅い時は像面上の画素が密に配置されるので、線形性が大きく劣化した二次元像となってしまう。
　尚、画素分布が密で正弦波状の明るい部分でレーザ光を間引く回路処理を行えば、像面上での明暗だけなら改善できるが、二次元像の線形性は改善できず、回路規模が増大し光量が低下する。像面上での画素の配置のタイミングに合わせてレーザ光を変調すれば線形性も改善できるが、ますます回路規模が増大する。
　そこで、ミラーとは別に複数の反射面を用いる手法も考えられるが、製造における光学部品の形状誤差、偏心・倒れが生じた場合、透過面であるレンズ面に比べ、ミラーでの光線角度の変動は約２倍となるので、ミラーを多用した光学系の製造は困難となる。更に、ミラーを複数枚用いた光学系では、ミラーでのレーザ光の反射前後の光路を確保するため、ミラー前後の間隔を大きく取る必要があり、光学系全体が大型化する。
　次に、実施例について説明する。図１から図１４を用いて、実施例１について説明する。図１は、画像表示装置を含むシステム図である。ここで、紙面左から右へ向かう方向をＸ方向、像面２０の下から上へ向かう方向をＹ方向、紙面表から裏へ向かう方向をＺ方向、と定義する。図２、図２７、図２９も図１と同じ座標系を用いる。但し、上記以外の図面については、光軸をＺ方向とした、ローカルな座標系を扱うものとする。
　当該システムは、画像表示装置１０、画像表示装置１０を保持する構造体３０、及び、像面２０を含む。又、画像表示装置１０は、光源４、光源４からのレーザ光を二次元状に偏向する光走査部１、光走査部１で偏向されたレーザ光を透過・屈折させる自由曲面レンズ２、及び、自由曲面レンズ２からのレーザ光を反射して像面２０へ導く自由曲面ミラー３とからなる。これらの光学部品により、線形性の改善と広角化の作用（後述）を受け、像面２０上に矩形で光量分布が一様な二次元走査像が表示される。
　尚、光走査部１は、長辺方向と短辺方向の走査を、一つの反射面（ミラー１ａ）で実現してもよいし、各々の方向に応じて各々の反射面を有してもよい。
　ここで、回転非対称で、図８、図１９、図２５に示すようなパラメータを有する形状を自由曲面と呼ぶ。
　図２は、図１のシステムを上から見た図である。
　以下、像面２０のうち、Ｘ方向に相当する辺がＹ方向に相当する辺より長いため、前者を長辺、後者を短辺と呼ぶ。又、反射面の偏向角度のうち大きい方向が長辺方向に対応し、小さい方向が短辺方向に対応する。
　光走査部１が走査範囲の中央で静止している場合、自由曲面ミラー３における入射光線と反射光線で定義される第１の平面（ＸＺ平面）に対して、長辺が略平行となるように、自由曲面ミラー３を配置している。この理由は、走査量が大きい長辺側の光線に対して自由曲面ミラー３を斜めに配置することで、所定の回動角の２倍となる走査角で走査された光線が自由曲面ミラー３で反射する座標範囲が広くなるので、自由曲面ミラー３の形状自由度が増大するからである。　
　図３は光線図であり、画像表示装置１０から出射した光線が、像面２０上の５×５の分割点に到達する様子を示している。図４は別の光線図であり、光源４から出射したレーザ光が光走査部１の回動で偏向された後、自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３を経て像面２０に到達する様子を示している。更に、図５は自由曲面レンズ２の詳細図であり、第１の自由曲面レンズ２ａと、第２の自由曲面レンズ２ｂで構成されている。
　図６は、３次元的な光線図である。図３では、自由曲面ミラー３で反射した光線が再び自由曲面レンズ２に照射しないことが分かりづらいので、図６では、光路干渉が起きていないことが分かるように示している。
　図７は第０面である光源４から光走査部１としてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー（水平±５．３度、垂直±２．９度の共振回動）、自由曲面レンズ、自由曲面ミラーのレンズデータを示す図であり、図８は自由曲面形状の自由曲面係数の数式と具体値を示す図である。そして図９は、歪性能図である。ここでは、長辺方向（主走査方向）の回動角±５．３度と短辺方向（副走査方向）の回動角±２．９度の光走査部１による走査角の光線を位相１０度刻みで像面２０上に到達した座標、及び、走査範囲を１９×１９の分割で詳細に評価した結果を示している。
　図７に示した自由曲面ミラー３からの投射距離は１００ｍｍ、走査範囲は像面２０上に６００×４５０ｍｍとなっているため、広角化を実現している様子が分かる。
　次に、像面での入射角度と入射座標から、線形性の改善と広角化の結果について図１０から図１４と図３１と図３２を用いて説明する。
　従来例を示す図３１と図３２では、自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３が存在しない。入射角度は５．３度の２倍の値である±１０．６度の範囲で正弦波状に変化し、入射座標も±２６．６ｍｍの範囲で正弦波状に変化している。
　一方、実施例１において、図１０は像面における光線の入射角度と位相の関係を示す図、図１１は実施例１の像面における光線の入射座標と位相の関係を示す図である。自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３の作用で入射角度を大きく変化させて、像面２０上に±３００ｍｍの範囲で三角波状の入射座標を実現している。即ち、従来方式では走査範囲が±２６．６ｍｍであるのに対し、実施例１では±３００ｍｍとなり、１０倍以上の大幅な広角化を実現している。又、長辺に相当する水平サイズをＸ、投射距離をＬとすると、Ｘ＝６００ｍｍ、Ｌ＝１００ｍｍなので、Ｌ／Ｘが０．１７と非常に小さい値を実現している。
　尚、投射距離は、レンズデータ上で自由曲面ミラーの配置位置を定義する基準位置から、像面へ下ろした垂線の長さで定義する。但し、画像表示装置の小型化を優先する用途では、Ｌ／Ｘの値を１を越えない範囲で大きくしてもよい。
　比較のため、先の特許文献１でＬ／Ｘの値を、水平方向に左右対称で画角±１８．９度の記載に基づいて計算すると、Ｌ／Ｘ＝１／２／ｔａｎ１８．９＝１．４６と大きな値になり、広角化は不十分である。
　次に、図１２から図１４を用いて、自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３の特徴について説明する。
　図１２は、自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３での光線の制御結果としての、主光線の座標が存在する光線の範囲を示している。光走査部１の長辺方向が短辺方向よりも大きいので、第１の自由曲面レンズ２ａの入射面である第４面での主光線の範囲は、横長の領域となっている。
　第１の自由曲面レンズ２ａの出射面、第２の自由曲面レンズ２ｂを順次通過する毎に、主光線の範囲は縦長の領域に変化している様子が分かる。
　尚、自由曲面ミラー３である第８面では縦長の領域になっているが、第８面において長辺方向（図１２の横方向）を極端に狭くした訳ではなく、第８面での縦サイズを自由度として大きくした結果である。この理由について、図１３を用いて説明する。
　図１３は長辺方向の断面での光線図であり、光学系全体の光線図と自由曲面レンズ２の拡大図を一緒に表した図である。光走査部１の回動で、図１３のＸ軸の正側を通過する光線Ｌ１は、自由曲面ミラー３で反射し像面２０の座標Ｐ１に到達する。一方、Ｘ軸の負側を通過する光線Ｌ２は、自由曲面ミラー３で反射し像面２０の座標Ｐ２に到達する。ここで、自由曲面レンズ２ｂを通過する光線Ｌ２と、自由曲面ミラー３で反射した光線Ｌ１の光路が、自由曲面レンズ２ｂで干渉しないことが必要である。このためには、自由曲面ミラー３での光線Ｌ１と光線Ｌ２で形成する幅が小さいことが必要である。これが、自由曲面ミラー３での光線通過範囲の水平方向のサイズが小さいことの理由である。
　又、図１３で、自由曲面ミラー３で反射してから像面までの光線Ｌ１の光路長は、光線Ｌ２の光路長よりも大きい。従って、線形性の改善のためには、自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３では光線Ｌ１の光路長を、光線Ｌ２の光路長よりも短くすることが必要である。
　そこで、自由曲面レンズ２を通過する光線Ｌ１の空気換算の光路長を、光線Ｌ２の値よりも小さくするための、光線Ｌ１が通過する側のレンズ厚を厚くする、即ち、「擬似的なプリズム化」が必要である。
　尚、本実施例の光学系では、写像関係ではなく、概念的にはワイドコンバージョンのようなものなので、拡大側でのＬ１＞Ｌ２に対しては、物側でＬ１＜Ｌ２とすることで、光路全体での光路長の差を小さくすることが望ましい。
　次に、短辺方向における特徴について、短辺方向の各光学素子でのサグ量の図である図１４を用いて説明する。図１４は、短辺方向の自由曲面レンズ及びミラーの形状を示す図である。
　図１４で、短辺方向における第１の自由曲面レンズ２ａと第２の自由曲面レンズ２ｂはそれぞれ、凹レンズ状で負の屈折力を有している。そして、自由曲面ミラー３は、中央部分は凹面なので正の屈折力を、周辺部分は凸面なので負の屈折力を有している。実施例１のレンズデータが、短辺方向を面対称な配置としたのがその理由であるが、面対称の条件、即ち、配置関係を変えることで、正の屈折力の部分と負の屈折力の部分が変わるので、自由曲面ミラー３には正の屈折力の部分と負の屈折力の部分が存在するといえる。
　以上のように、自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３を所定の条件で配置することで、光走査部１としてのＭＥＭＳミラーの回動角度を大きくする必要がなく、ＭＥＭＳミラーの機械的な信頼性を損なうことなく、１０倍以上の広角化と線形性の改善を実現できる。
　次に、図１５から図２０を用いて、実施例２について説明する。図１５が実施例２の光線図、図１６が実施例２の別の光線図、図１７が実施例２の自由曲面レンズの詳細図、図１８が実施例２のレンズデータを示す図、図１９が実施例２の自由曲面係数の具体値を示す図、図２０が実施例２の歪性能図である。
　実施例１との違いは、自由曲面レンズ２が１枚である点であるが、実施例２でも、Ｘ＝６００ｍｍ、Ｌ＝１００ｍｍなので、Ｌ／Ｘが０．１７と非常に小さい値を実現できる。
　次に、図２１から図２６を用いて、実施例３について説明する。
　図２１が実施例３の光線図、図２２が実施例３の別の光線図、図２３が実施例３の自由曲面レンズの詳細図、図２４が実施例３のレンズデータを示す図、図２５が実施例３の自由曲面係数の具体値を示す図、図２６が実施例３の歪性能図である。
　実施例１との違いは、本来のワイド画面に合わせて像面サイズを１６：９とし、光走査部１の回動角（水平±５．３度、垂直±２．９度の共振回動）を、８００×４５０ｍｍの二次元状な範囲としている点である。図２６の歪性能である線形性が、実施例１の歪性能である線形性を表す図９より改善されており、本来、１６：９の像面を走査するために開発された光走査部１では、１６：９の像面を走査した方が組合せとしては良好である。尚、１６：９で開発された走査ミラーを４：３の像面にも適用できることは言うまでもない。
　実施例３では、Ｘ＝８００ｍｍ、Ｌ＝１００ｍｍなので、Ｌ／Ｘが０．１３５と非常に小さい値を実現できる。
１…光走査部、２…自由曲面レンズ、３…自由曲面ミラー、４…光源、１０…画像表示装置、２０…像面、３０…構造体、１ａ…ミラー、１ｂ…第１トーションバネ、１ｃ…保持部材、１ｄ…第２トーションバネ、１ｅ…保持部材。

Claims (10)

  1. 　光源から出射した光を、当該光の反射面の往復の回転運動により、像面の第１の方向及び第２の方向に走査する光走査部と、
    　走査された光の走査角度を拡大する光学系を備え、
    　前記光学系は、前記光走査部側に自由曲面レンズを有し、前記像面側に自由曲面ミラーを有する、画像表示装置。
  2. 　前記第１の方向の長さは、前記第２の方向の長さよりも長く、
    　前記光走査部が走査範囲の中央で静止している場合の前記自由曲面ミラーにおける入射光線と反射光線で定義される第１の平面に対して、前記第１の方向が略平行となるように前記自由曲面ミラーが配置される、請求項１記載の画像表示装置。
  3. 　前記光走査部は、２つの走査方向を有する１つの反射面を有する、請求項１又は２記載の画像表示装置。
  4. 　前記光走査部は、１つの走査方向を有する１つの反射面を、それぞれ２つ有する、請求項１又は２記載の画像表示装置。
  5. 　２つの走査方向における反射面の偏向角度のうちの大きい方向が、前記第１の方向に対応し、２つの走査方向における反射面の偏向角度のうちの小さい方向が、前記第２の方向に対応する、請求項１乃至４何れか一に記載の画像表示装置。
  6. 　前記第１の平面における、前記自由曲面ミラー上での反射位置から前記像面上の走査位置までの距離が長い側の光線が前記自由曲面レンズを通過する光路長が、前記自由曲面ミラー上での反射位置から前記像面上の走査位置までの距離が短い側の光線が前記自由曲面レンズを通過する光路長よりも大きい、請求項１乃至５何れか一に記載の画像表示装置。
  7. 　前記像面での前記第２の方向における前記自由曲面レンズが、負の屈折力を有する、請求項１乃至６何れか一に記載の画像表示装置。
  8. 　前記像面での前記第２の方向における前記自由曲面ミラーの周辺部が、負の屈折力を有する、請求項１乃至６何れか一に記載の画像表示装置。
  9. 　前記第１の方向の長さをＸ、レンズデータ上で自由曲面ミラーの配置位置を定義する基準位置から像面へ下ろした垂線の長さである投射距離をＬとすると、Ｌ／Ｘは１以下である、請求項１乃至８何れか一に記載の画像表示装置。
  10. 　前記第１の方向の長さをＸ、レンズデータ上で自由曲面ミラーの配置位置を定義する基準位置から像面へ下ろした垂線の長さである投射距離をＬとすると、Ｌ／Ｘは０．２以下である、請求項１乃至８何れか一に記載の画像表示装置。
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