WO2012176235A1 - 画像表示装置 - Google Patents

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WO2012176235A1
WO2012176235A1 PCT/JP2011/003557 JP2011003557W WO2012176235A1 WO 2012176235 A1 WO2012176235 A1 WO 2012176235A1 JP 2011003557 W JP2011003557 W JP 2011003557W WO 2012176235 A1 WO2012176235 A1 WO 2012176235A1
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WO
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light
free
scanning
image display
display device
Prior art date
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PCT/JP2011/003557
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French (fr)
Inventor
平田　浩二
谷津　雅彦
Original Assignee
日立コンシューマエレクトロニクス株式会社
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Publication date
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Priority to US14/127,982 priority patent/US9116349B2/en
Priority to PCT/JP2011/003557 priority patent/WO2012176235A1/ja
Priority to CN201180071380.2A priority patent/CN103597399B/zh
Priority to KR1020137031435A priority patent/KR101548445B1/ko
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    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD

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. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram of Example 4.
  • FIG. 7 is a ray diagram
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of Example 4; The figure which shows the scanning on an image surface. The figure which used the semiconductor laser as a light source.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of Example 4; The figure which shows the scanning on an image surface. The figure which shows the scanning on an image surface. The figure which shows the scanning on an image surface. The figure which shows the scanning on an image surface. The figure which shows an example of the light which has a light emission spectrum.
  • 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. The figure which shows the incident coordinate of the light ray in the conventional image surface, and the relationship of a phase. The figure which shows the relationship between a display pixel and a horizontal scanning frequency.
  • FIG. 59 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. 60 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. 61 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. 62 is a change diagram of the swing angle of the conventional mirror surface.
  • the swing angle ⁇ changes sinusoidally within a range of ⁇ ⁇ / 2.
  • FIG. 63 is a diagram showing the relationship between the incident angle and phase of the light beam on the conventional image plane
  • FIG. 64 is a diagram showing the relationship between the incident coordinate and phase of the light beam on the conventional image surface. 63 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
  • FIG. 65 is a diagram showing the relationship between display pixels and horizontal scanning frequency (number of horizontal scanning scans). In the case of HD support of horizontal 1920 pixels and vertical 1080 pixels, the frequency becomes 38.9 kHz, and further speedup is required.
  • 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.
  • the light source is a laser
  • the generated light is coherent light. Therefore, when reflected on a general image surface (rough surface), a random phase is added, and the reflected light becomes scattered light. Light scattered at different locations on the rough surface overlaps and interferes by spatial propagation, thereby generating speckles, which are random interference patterns, and lowering the image quality.
  • the light source is a semiconductor laser having a small light emitting point
  • 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.
  • FIG. 34, FIG. 37, FIG. 59, and FIG. 61 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.
  • the free-form surface mirror 3 includes a convex mirror.
  • 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 rays emitted from the image display device 10 reach 5 ⁇ 5 division points 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.
  • the portion where the laser beam corresponding to the long side direction of the scanning screen of the second free-form surface lens 2b passes has a longer physical length than the portion where the laser beam corresponding to the short side direction passes. Furthermore, the portion of the free-form surface mirror 3 that reflects the laser beam corresponding to the longitudinal direction of the scanning screen has a stronger convex shape toward the scanning screen than the portion that reflects the laser beam corresponding to the short direction. In FIG. 4 and FIG. 5, the shape of the optical element is displayed in an easier-to-understand direction.
  • 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.
  • the lens material is dispersed (the refractive index varies depending on the wavelength of light). That is, the arrival distance on the image plane 20 differs for each wavelength of light, and chromatic aberration of magnification occurs.
  • the optical path length in terms of air of the light beam L1 passing through the free-form surface lens 2 may be made smaller than the optical path length in terms of air of the light beam L2. Then, it was found by simulation that the ratio of the lens thickness on the side through which the light beam L1 passes and the lens thickness on the side through which the light beam L2 pass can be reduced to a magnification chromatic aberration of a practically no problem if the ratio is 3 times or less. If it is 2 times or less, better imaging performance can be obtained.
  • the chromatic aberration can be sufficiently reduced by optimizing the shape of the free-form curved mirror 3 having a high degree of design freedom and optimizing the shape (power distribution) of the free-form curved lens 2.
  • 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.
  • 27 to 33 are ray diagrams.
  • 27 to 29 show how the light beam emitted from the image display device 10 reaches a 5 ⁇ 5 division point on the image plane 20. Further, the image display device 10 is disposed on the upper side of the image plane 20 in the long side direction of the image plane 20.
  • the effective scanning range in the vicinity of the image display device 10 is narrowed only in the X-axis direction from the range that can be effectively shaken (displayed by the one-dot chain line 30) so that the laser beam does not overlap with the image display device 10.
  • the degree of freedom of installation of the image display device 10 increases, and even if the size of the image display device 10 increases, the set does not block the image in the actual use state, and the usability is improved.
  • FIG. 27 shows the side of the figure shown above. Even if the image display device 10 is positioned above the scanning screen display range on the image plane 20 (displayed by the region X in the lower part of FIG. 27) (for example, desktop projection), the image display device 10 does not block the scanning screen display range. Note that the image display device 10 may be disposed below the image plane 20.
  • the image display devices 10-1 and 10-2 are arranged at two different positions, respectively. Note that a plurality of units may be arranged at two or more different positions. In this way, high brightness can be achieved by overlapping the images on a plurality of image display devices 10 and displaying the same as the same image.
  • the resolution can be improved by artificially shifting the scan image position of multiple image display devices 10 of the same resolution, or by interlacing the screen with image information for different fields by interlacing. Can be made. Further, a plurality of image display devices 10 may be arranged as shown in FIG.
  • the laser beam of the image display device 10-1 is set to one polarized wave (for example, P wave), and the laser beam of the image display device 10-2 is set to the other polarized wave (for example, S wave), respectively.
  • 3D images can also be realized by superimposing video images for use on a screen and using polarized glasses.
  • a stereoscopic image can be realized by using special glasses having a function of switching images that enter the left and right eyes in a time-division manner by superimposing images for the right eye and images for the left eye on the screen.
  • the image display device 10 is disposed below the image plane 20.
  • the laser beam forming the image plane 20 is refracted in a direction substantially perpendicular to the image plane 20 by the optical path changing unit 61 having a function of refracting the light, and is emitted to the image viewing side.
  • a Fresnel lens is used as the optical path changing unit 61.
  • an eccentric Fresnel lens whose Fresnel center deviates from the image plane 20 is suitable.
  • an eccentric linear Fresnel lens having a light reflecting surface on the lens surface is used as the optical path changing unit 61.
  • the image display device 10 is arranged on the upper part of the image plane 20, and the optical path changing unit 61 shows an example of a Fresnel lens.
  • the image display device 10 is disposed above the image plane 20, and the optical path changing unit 61 uses an eccentric linear Fresnel lens.
  • the optical path changing unit 61 if a total reflection method is employed as the optical path changing unit 61, the reflection loss at the incident surface can be reduced, and an excellent image with little reflection loss can be obtained.
  • FIG. 34 is a diagram for explaining the principle of this embodiment
  • FIG. 35 is a diagram showing scanning on the image plane
  • FIG. 36 is a diagram using a semiconductor laser as a light source.
  • the laser beam has a spot size 201 of a specific size, and as shown in FIG. 35, the laser beam 204 is scanned along the arrow 202 in the horizontal direction on the image plane 20 (first scan), and then Then, scanning (second scanning) is performed along the arrow 203 in the reverse direction. Therefore, unlike the interlace method, there is no blanking period and there is no loss in scanning time, so the resolution is not impaired.
  • a semiconductor laser is composed of a clad layer 402 sandwiched between electrodes 401 and 404 and an active region 403 existing inside the clad layer 402, as shown in FIG.
  • the shape is an ellipse having the direction perpendicular to the region 403 (Y-axis in the figure) as the long side direction. For this reason, the deterioration of the spot shape due to oblique incidence can be reduced by aligning the short side of the elliptical spot shape in the direction far from the image plane 20 with respect to the image display device 10 (long side direction in the drawing).
  • the resolution performance is uniquely determined by the image plane size determined by the swing angle of the scanning mirror.
  • the final surface of the optical system is constituted by a reflecting surface
  • the laser beam scanned and deflected by the optical scanning unit 1 has an incident angle of 2 on the reflecting surface of the free-form surface mirror. Since the amount of deflection is doubled, the amount of deflection of the optical scanning unit 1 can be deflected more greatly.
  • the normal angle of the free-form surface mirror surface corresponding to each of the free-form surface mirror surfaces is varied so that the reflection angle of the free-form surface mirror varies depending on the corresponding position of the image plane 20.
  • the resolution is not determined only by the spot size of the laser beam and the swing angle of the scanning mirror.
  • the laser light is incident at different positions on the image plane 20 at different incident angles.
  • the incident angle of the scanning beam corresponding to the central portion of the image surface 20 to the free curved surface (convex surface) mirror 3 is the incident angle of the scanning beam corresponding to the peripheral portion of the image surface 20 to the free curved surface mirror.
  • the incident angle of the scanning beam to the portion near the optical scanning unit 1 of the free-form curved mirror 3 is made smaller than the incident angle to the portion far from the optical scanning unit 1 of the free-form curved mirror. Yes.
  • the spot size, brightness, or density of the laser beam is changed according to the scanning position alone or in combination.
  • the image display device 10 includes a plurality of laser light sources (here, two types).
  • the laser beams from the first light source unit 4a and the second light source unit 4b are synthesized by the color synthesis unit 5a, scanned and deflected by the rotation of the optical scanning unit 1, and then refracted by the free-form surface lens 2 and the free-form surface mirror 3. It is reflected and reaches the image plane 20.
  • the color combining unit 5 is, for example, a polarization combining prism, and the laser light from the first light source unit 4a is P-polarized light, and the laser light from the second light source unit 4b is S-polarized light, thereby efficiently combining the laser light. it can.
  • the brightness uniformity of the entire screen can be improved by changing the output of the laser light emitted from the first light source unit 4a and the second light source unit 4b in accordance with the position on the image plane 20.
  • the light emission energy varies depending on the applied current.
  • the current is continuously passed beyond the allowable value, the light emission efficiency is lowered and darkened, and the lifetime is shortened.
  • a high-intensity laser without shortening the service life by inputting a current value exceeding the allowable value (about 2 to 3 times the normal value) in a pulse at a specific period (ms). Light output can be obtained.
  • the energy of light reflected to the monitoring side differs depending on the difference in scanning speed and the incident angle of light with respect to the image plane.
  • PWM control the uniformity of the brightness of the entire screen area can be improved.
  • the spot diameter of the synthesized laser beam may be changed in synchronization with the laser beam output from each light source.
  • the magnetic shield 10b it has a magnetic shield effect.
  • an electromagnetic magnet (fixing device) 10c is provided in a part of the housing, an image display device that can be easily attached to and detached from a metallic board or wall surface can be realized.
  • the first scanning is performed along the arrow 202 with a finer resolution in the direction perpendicular to the image plane
  • the second scanning is performed along the arrows 203-1 and 203-2 in the reverse direction.
  • laser light is not emitted (oscillated) in the regions indicated by the arrows 203-1 and 203-2 (shown by broken lines in the figure).
  • the screen brightness on the left side of FIG. 38 can be relatively increased.
  • laser light is scanned in the direction perpendicular to the image plane.
  • the point that the deterioration of the spot shape due to the oblique incidence can be reduced by matching the short side of the elliptical spot shape in the direction far from the image plane 20 with respect to the image display device 10 is the same as described above.
  • the left side of the image plane 20 is changed by changing the scan interval in the long side direction in the scan range of the area A and the scan range of the area B shown in FIG.
  • the screen brightness can be increased relatively.
  • FIGS. 37 to 40 it is possible to change the brightness of a part of the image plane 20 (for example, the right side and the upper and lower portions) and to incline the brightness change amount in the scanning range in the vertical direction of the image plane. This can be achieved by freely controlling the region where light is emitted (oscillated).
  • Speckle is generated because the intensity of speckle pattern light is distributed by interference of scattered light when coherent light such as laser light is scattered on the diffusion surface.
  • coherent light such as laser light
  • it is effective to convert the laser light into light irregular in time and space. Specifically, the following four methods are effective.
  • Random scattered light is obtained by changing the incident angle of a plurality of laser beams to enter the image plane.
  • the obtained laser light is a mixture of P wave and S wave, so that speckle can be reduced.
  • the laser light from the first light source unit 4a and the second light source unit 4b is converted into a blue light emitting laser (oscillation center wavelength 460 nm), a green light emitting laser (oscillation center wavelength 532 nm) having an emission spectrum shown in FIG. If a red light emitting laser (oscillation center wavelength 635 nm) is used and synthesized by the color synthesizing unit 5a, the color reproduction range shown in FIG. 42 and brightness can be obtained.
  • FIG. 42 shows the color of the scanned image when the laser beam shown in FIG. 41 oscillates alone and outputs light, and the white color is displayed by combining the single color and the three colors.
  • FIG. 43 shows the laser beam obtained by simulation calculation as an xy value on the chromaticity diagram.
  • the laser light of the second laser light source unit 4b is a blue light emitting laser (oscillation center wavelength 450 nm), a green light emitting laser (oscillation center wavelength 515 nm), a red light emitting laser (oscillation center wavelength 645 nm) having the emission spectrum shown in FIG. ), It is possible to realize a wide color reproduction region as shown in FIG. 45 and reduce speckle.
  • the color mixing ratio in the table is a relative representation of the intensity of the monochromatic laser light (simulated on the assumption that the emission color and energy intensity are shown in FIG. 44), The case where each color laser emits light with a single color and a relative intensity of 100% is described as 1, and the case where light is emitted with a relative intensity of 5% is described as 0.05.
  • the result obtained by the color mixture is shown by the brightness (the brighter the numerical value is in the relative value display) and the coordinate values on the chromaticity diagram shown in FIG.
  • the monochromatic laser obtained after the synthesis by the color synthesizing unit 5a by using monochromatic lasers having different wavelengths in the first light source unit 4a and the second light source unit 4b is compared with a case where laser beams having the same wavelength are synthesized. Speckle can be reduced more.
  • each color laser beam is emitted individually for blue, green, and red (denoted chromaticity coordinate values shown in FIG. 42) determined by the NTSC broadcasting system, for example. It was possible to increase the brightness without narrowing the color reproduction range by combining the green and red lasers at a predetermined ratio when emitting blue laser light.
  • the inventors obtained the color change when the brightness was improved by mixing a plurality of colors of lasers with the single color laser shown in FIG. 42, and a graph showing the McCadam color matching region shown in FIG. As a result of comparison, it was confirmed that each color was in the same color region and there was no practical problem.
  • the inventors have found through experiments that the speckle of the laser beam can be reduced by controlling the surface roughness of the free-form surface mirror surface.
  • the speckle of the laser beam can be reduced by controlling the surface roughness of the free-form surface mirror surface.
  • it is realized by processing a mold according to a design shape, molding a plastic using the obtained mold, and providing a reflective film on the surface. For this reason, the surface roughness of the reflection surface of the mirror is transferred almost as it is on the surface of the mold, so speckle can be reduced by optimizing the surface roughness of the mold surface according to the position of the reflection surface. .
  • FIG. 52 is a vertical section of the mold of the free-form mirror reflecting surface shown in FIG.
  • the free-form surface mirror mold processing is performed by 5-axis control of the X axis, the Y axis, the Z axis, the C axis that is the rotation axis of the machining axis, and the B axis that is the rotation axis of the workpiece.
  • a single crystal diamond cutting tool is attached to the C-axis, and the mold surface is scraped off by a processing method called fly-cut to obtain desired shape accuracy and surface roughness.
  • the die processing of the free-form curved mirror is performed by reciprocating the cutting tool bite as shown in FIG.
  • This processing trace is sufficiently smaller than the size of the laser beam spot 301.
  • the scattering state of the reflected light on the mirror can be controlled. For this reason, in the embodiment shown in FIG. 48 in which the scanning direction of the laser beam and the machining direction of the mirror mold are matched, and in the embodiment shown in FIG. 51 in which the scanning direction and the machining direction of the mirror mold are orthogonal, after molding, The obtained surface roughness pattern of the mirror surface is different, and the degree of laser light scattering is different, so that the speckle reduction effect is also different.
  • the surface with different roughness is created intentionally by changing the machining conditions.
  • a plurality of machining conditions are intentionally changed by reciprocation of the forward path (denoted by 303 in the figure) and the return path (denoted by 304 in the figure) and the forward path (denoted by 305 in the figure) as shown in FIG. Create surfaces with different roughness.
  • by irregularly changing the processing conditions it is possible to obtain a more complicated surface roughness of the pattern, and speckle can be reduced.
  • FIG. 55 shows a cutting surface obtained by the processing method shown in FIG. 54 (B).
  • FIG. 56 shows the result of evaluating the surface roughness in the direction orthogonal to the processing direction in order to measure the roughness of the obtained processed surface.
  • Ra maximum value is 3 nm
  • average surface roughness is 4 nm, and sufficient surface roughness can be obtained even for the wavelength of light.
  • FIG. 57 shows a cut surface by the processing method shown in FIG. 54 (A).
  • FIG. 58 shows the result of evaluating the surface roughness in the direction orthogonal to the machining direction in order to measure the roughness of the obtained machined surface.
  • the Ra maximum value was 5 nm
  • the 10-point average surface roughness was 6 nm
  • the surface roughness obtained with the processing method of FIG. 54 (B) was large.
  • the scanning deflection angle obtained by turning the scanning mirror can be enlarged, so that the scanned image can be directly displayed on the desktop with the image display device placed on the desk.
  • the free-form surface mirror is formed by arranging the optical axis and the optical scan unit connecting the light source and the optical scanning unit at an angle of 45 degrees or less, and arranging the free-form surface lens and the free-form surface mirror eccentric from the optical axis. Even if the distance between the image plane and the image plane is sufficiently short, the light reflected by the free-form surface mirror can be arranged so that it does not enter the free-form surface lens again, and the apparatus can be downsized.
  • a plurality of light sources having wavelengths close to each other can be used in combination to reduce the coherency of the laser and suppress speckle.
  • the surface of the free-form mirror can be made rough to have a partial scattering characteristic, so that the area of the light emission point can be increased in a pseudo manner, and the secondary light source can be used to increase the amount of light while satisfying safety standards. it can.
  • 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.

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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」という）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。 実施例４の光線図。 実施例４の光線図。 実施例４の光線図。 実施例４の光線図。 実施例４の光線図。 実施例４の光線図。 実施例４の光線図。 実施例４の原理を説明するための図。 像面上の走査を示す図。 半導体レーザを光源として用いた図。 実施例４の原理を説明するための図。 像面上の走査を示す図。 像面上の走査を示す図。 像面上の走査を示す図。 発光スペクトラムを有する光の一例を示す図。 図４１のレーザ光の性質を表として示す図。 図４１のレーザ光の性質をｘｙ値として示す図。 発光スペクトラムを有する光の一例を示す図。 図４４のレーザ光の性質を表として示す図。 図４４のレーザ光の性質をｘｙ値として示す図。 画像表示装置を複数台配置した様子を示す図。 自由曲面ミラー反射面の金型加工の加工順を示す図。 自由曲面ミラー反射面の金型加工の加工順を示す図。 自由曲面ミラー反射面の金型加工の加工順を示す図。 自由曲面ミラー反射面の金型加工の加工順を示す図。 自由曲面ミラー反射面の金型加工の加工順を示す図。 自由曲面ミラー金型のミラー面加工機の模式図。 自由曲面ミラー金型のミラー面加工法を示す模式図。 自由曲面ミラー金型のミラー面粗さを示す図。 自由曲面ミラー金型のミラー面粗さを示す図。 自由曲面ミラー金型のミラー面粗さを示す図。 自由曲面ミラー金型のミラー面粗さを示す図。 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。 表示画素と水平走査周波数の関係を示す図。
　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５９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６０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６１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６２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６３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６４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６３は、図６４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。
　図６５は、表示画素と水平走査周波数（水平スキャン走査数）の関係を示す図である。水平１９２０画素、垂直１０８０画素のＨＤ対応では３８．９ｋＨｚとなり、更なる高速化が必要となる。
　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。
　又、光源がレーザの場合、発生する光はコヒーレント光であるため、一般的な像面（粗面）で反射される際、ランダムな位相が付け加えられ、反射光は散乱光となる。粗面の異なる場所で散乱された光は空間伝播により重なり干渉することで、ランダムな干渉パターンであるスペックルが発生し、画質が低下する。更に、光源が発光点の小さい半導体レーザなどの場合、光源と観察者の瞳を結ぶ立体角内に、許容値を越えるエネルギーのレーザ光を照射すると、網膜を焼失する危険性がある。従って、光量に制限があり、必要な明るさが得られない。
　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。尚、図２、図３４、図３７、図５９、図６１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。自由曲面ミラー３は、凸面ミラーを含む。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。
　第２自由曲面レンズ２ｂの走査画面の長辺方向に対応したレーザ光が通過する部分は、短辺方向に対応したレーザ光が通過する部分よりも物理長が長くなっている。更に、自由曲面ミラー３の走査画面の長手方向に対応したレーザ光が反射する部分は、短手方向に対応したレーザ光が反射する部分よりも、走査画面に向かって凸面形状が強くなる。図４と図５においては、光学要素の形状がより分かりやすい向きで表示している。
　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、図６３、及び、図６４を用いて説明する。
　従来例を示す図６３と図６４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。
　一方、自由曲面レンズ２のレンズ形状をプリズム化した場合、レンズ材料が分散する（光の波長によって屈折率が異なる）。即ち、光の波長毎に、像面２０での到達距離が異なり、倍率の色収差が発生する。
　当該色収差を軽減するためには、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の空気換算の光路長よりも小さくすればよい。そして、光線Ｌ１が通過する側のレンズ厚と光線Ｌ２が通過する側のレンズ厚の比を３倍以下とすれば、実用上問題ないレベルの倍率色収差に低減できることをシミュレーションで見出した。２倍以下にすれば、更に良好な結像性能を得ることができる。
　このように、設計自由度が大きい自由曲面ミラー３の形状の最適化と、自由曲面レンズ２の形状最適化（パワー配分）により、十分に色収差を低減できる。
　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。
　次に、光利用効率の改善と、スぺックルの発生を抑える実施例について説明する。図２７～３３は光線図である。図２７～２９は、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。又、画像表示装置１０が像面２０の上部に、像面２０の長辺方向に配置されている。
　画像表示装置１０とレーザ光が重複しないように、画像表示装置１０近傍での有効走査範囲を、実効的に振れる範囲（一点鎖線３０で表示）からＸ軸方向のみ狭めている。この結果、画像表示装置１０の設置自由度が大きくなると共に画像表示装置１０の寸法が大きくなっても実使用状態でセットが画像を遮ることがなく、使い勝手が向上する。
　図２７の下方は、上方に示した図の側面を示している。画像表示装置１０は、像面２０上の走査画面表示範囲（図２７下方では領域Ｘで表示）より上部に位置しても（例えば机上投写）走査画面表示範囲を遮ることはない。尚、画像表示装置１０を像面２０の下方向に配置してもよい。
　図２８では、画像表示装置１０－１及び１０－２を２つの異なる位置に各々配置している。尚、２つ以上の異なる位置に複数台を各々配置してもよい。このように、複数の画像表示装置１０で画像を重ね合わせて同一画像として表示することで高輝度化が可能となる。
　又、同一解像度の複数の画像表示装置１０の走査画像位置を意図的にずらす事で擬似的に解像度を増加させたり、インターレースさせて異なるフィールド毎の画像情報により画面を重ね合わせることで解像度を向上させることができる。又、複数台の画像表示装置１０を、図２９のように配置してもよい。
　尚、画像表示装置１０―１のレーザ光を一方の偏波（例えばＰ波）とし、画像表示装置１０－２のレーザ光を他方の偏波（例えばＳ波）としてそれぞれ右目用の映像と左目用の映像を、画面上で重ね合わせ、偏光メガネを用いて立体画像を実現することもできる。同様に、右目用に映像と左目用の映像を画面上で重ね合わせ、時分割で左右の目に入る画像をスイッチングする機能を有する特殊メガネを用いて立体画像を実現することもできる。
　図３０では、画像表示装置１０を像面２０の下部に配置している。像面２０を形成するレーザ光は、光を屈折させる作用を持つ光路変更部６１により像面２０に略垂直な方向に屈折し、画像観視側に出射する。光路変更部６１として、ここではフレネルレンズを用いている。特に、斜投写光学系の場合、フレネル中心が像面２０から外れるような偏心フレネルレンズが好適である。
　図３１では、光路変更部６１として、レンズ面に光反射面を有する偏心リニアフレネルレンズを用いている。図３２では、画像表示装置１０を像面２０の上部に配置し、光路変更部６１は、フレネルレンズの例を示している。図３３では、画像表示装置１０を像面２０の上部に配置し、光路変更部６１は、偏心リニアフレネルレンズを用いている。
　光路変更部６１として、更に、全反射方式を採用すれば、入射面での反射損失を低減でき、反射損出の少ない優れた画像を得ることができる。
　次に、像面の明るさを均一にする技術について説明する。図３４は本実施例の原理を説明するための図、図３５は像面上の走査を示す図、図３６は半導体レーザを光源として用いた図である。
　レーザ光は、特定の大きさのスポット寸法２０１を有し、図３５に示すように、レーザ光２０４を像面２０上において水平方向に矢印２０２に沿って走査（第１の走査）し、次に、逆方向の矢印２０３に沿って走査（第２の走査）する。従って、インターレース方式と異なり帰線期間がなく、走査時間にロスがないので解像度を損なうことがない。
　レーザ光源として、例えば半導体レーザは、図３６に示すように、電極４０１及び４０４に挟まれたクラッド層４０２とクラッド層４０２の内部に存在する活性領域４０３から成り、レーザ光のスポット形状は、活性領域４０３に直交する方向（図中Ｙ軸）を長辺方向とする楕円形状となっている。このため、画像表示装置１０に対して像面２０で距離の遠い方向（図面中では長辺方向）に楕円のスポット形状の短辺を合わせることで、斜め入射によるスポット形状の悪化を軽減できる。
　従来方式では、レーザ光のスポット寸法が決まれば走査ミラーの振り角によって決定される像面寸法によって解像性能は一義的に決まっていた。一方、本実施例では、光学系の最終面が反射面で構成されているため、光走査部１（走査ミラー）で走査偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラーの反射面において入射角度の２倍量の偏向がなされるので、光走査部１の変位量に対してより大きく偏向できる。更に、像面２０の対応する位置によっては自由曲面ミラーの反射角が異なるように、それぞれに対応した自由曲面ミラー面の法線角度を異ならせる。
　このため、本実施例では従来方式とは異なり、レーザ光のスポット寸法と走査ミラーの振り角だけでは解像度が決まらない。
　本実施例では、像面２０上の位置それぞれにおいて異なった入射角度でレーザ光が入射する。長辺方向においては、像面２０の中央部分に相当する走査ビームの自由曲面（凸面）ミラー３への入射角度が、像面２０の周辺部分に相当する走査ビームの自由曲面ミラーへの入射角度より大きく、短辺方向においては、自由曲面ミラー３の光走査部１に近い部分への走査ビームの入射角度が、自由曲面ミラーの光走査部１から遠い部分への入射角度より小さいようにしている。このように、レーザ光のスポット寸法、輝度又は密度を単独で、又は組み合わせながら走査位置に合わせてそれぞれを変化させている。次に、上述した内容を具現化する手段について説明する。図３７は本実施例の原理を説明するための図、図３８乃至４０は像面上の走査を示す図である。
　図３７では、画像表示装置１０は複数のレーザ光源を備える（ここでは２種類）。第１の光源部４ａ及び第２の光源部４ｂのレーザ光は色合成部５ａにより合成され、光走査部１の回動で走査偏向された後、自由曲面レンズ２と自由曲面ミラー３で屈折反射され像面２０に到達する。色合成部５は例えば偏光合成プリズムとし、第１の光源部４ａからのレーザ光はＰ偏波、第２の光源部４ｂからのレーザ光はＳ偏波とすることで効率よくレーザ光を合成できる。
　像面２０上の位置に合わせて、第１の光源部４ａ及び第２の光源部４ｂから出射するレーザ光の出力を変化させることで画面全体の輝度の均一性を向上させることができる。
　ここで、レーザ半導体の場合、印加電流により発光エネルギーが変化するが、許容値を超えて電流を流し続けると、発光効率が低下し暗くなると共に、寿命も短くなる。これを回避するため、特定周期（ｍｓ）程度の時間に許容値を超える電流値（通常の２～３倍程度）をパルス的に入力することで、寿命を短くすることなく、高輝度なレーザ光出力を得ることができる。
　斜投写光学系においては、走査速度の場所による違いや像面に対する光線入射角により監視側に反射する光のエネルギーが異なるので、画面の明るさが均一になりにくい。しかし、ＰＷＭ制御を用いて画面の位置に対応させて明るさを制御することで、画面全領域の明るさの均一性を向上させることができる。
　尚、合成されたレーザ光のスポット径もそれぞれの光源からのレーザ光出力と同期させ変化させてもよい。又、図３７に示すように、防磁シールド１０ｂを設ければ、防磁シールド効果を有する。更に、筐体の一部に電磁マグネット（固定装置）１０ｃを設ければ、金属性のボードや壁面に簡単に脱着可能な画像表示装置を実現できる。
　図３８では、像面垂直方向の分解能をより細かくして第１の走査を矢印２０２に沿って行い、第２の走査は逆方向の矢印２０３－1及び矢印２０３－２に沿って行う。この時、矢印２０３－1及び矢印２０３－２（図中破線表示）の領域ではレーザ光を発光（発振）させない。この結果、図３８の左側の画面明るさを相対的に上げることができる。図３９では、像面垂直方向にレーザ光を走査している。
　画像表示装置１０に対して像面２０で距離の遠い方向に楕円のスポット形状の短辺を合わせることで、斜め入射によるスポット形状の悪化を軽減できる点は上述と同様である。
　又、像面２０内の明るさを均一にするために、例えば図３９に示した領域Ａの走査範囲と領域Ｂの走査範囲において長辺方向の走査間隔を変化させることで像面２０の左側の画面明るさを相対的に上げることができる。
　図３７～４０によれば、像面２０の一部（例えば右側や上下部）の明るさを変化させる事や明るさの変化量に傾斜をつけることも、像面垂直方向の走査範囲においてレーザ光を発光（発振）させる領域を自在に制御することで可能となる。
　次に、像面２０のスペックルを軽減する技術について説明する。スペックルはレーザ光のようなコヒーレント光が拡散面で散乱すると散乱光の干渉によってスペックルパターンの光の強度が分布を持つために発生する。このスペックルを軽減するためには当該レーザ光を時間的、空間的に不規則な光に変換することが有効となる。具体的には、以下に示す４つの方法が有効である。
　　（１）　偏光多重度を向上する。即ち特定の偏波のみが存在しない状態とする。
　　（２）　像面若しくは投写光学系にランダムな反射パターンを形成する部分を設ける。
　　（３）　波長の多重性を向上する。即ち特定の単波長ではなく複数の波長のレーザ光を混合する。
　　（４）　複数のレーザ光の入射角度を変えて像面に入射させることでランダムな散乱光を得る。
　上記（１）及び（３）を実現する方法の１つは、図３７の説明と同様で、得られたレーザ光はＰ波、Ｓ波が混在したものとなるのでスペックルを低減できる。又、第１の光源部４ａ、及び、第２の光源部４ｂのレーザ光を、図４１に示す発光スペクトラムを有する青発光レーザ（発振中心波長４６０ｎｍ）、緑発光レーザ（発振中心波長５３２ｎｍ）、赤発光レーザ（発振中心波長６３５ｎｍ）とし、色合成部５ａにより合成すれば、図４２に示した色再現範囲の実現と明るさを得ることが出来る。図４２は、図４１に示したレーザ光が単独でレーザ発振して光を出力して、それぞれ単色及び３色合成して白を表示した場合の走査画像の色を示している。図４３は、当該レーザ光を、色度図上のｘｙ値として、シミュレーション計算により求めたものを示している。
　又、第２のレーザ光源部４ｂのレーザ光を図４４に示した発光スペクトラムを有する青発光レーザ（発振中心波長４５０ｎｍ）、緑発光レーザ（発振中心波長５１５ｎｍ）、赤発光レーザ（発振中心波長６４５ｎｍ）として混色すると、図４５に示すように広範囲な色再現領域を実現でき、スペックルを低減できる。
　次に、図４２及び図４５に示した表の見方について説明する。表中の混色比は上述した単色レーザ光（発光色とエネルギー強度を図４４に示すものと仮定してシミュレーションを実施）がそれぞれどのような強度で発光したかを相対的に表したもので、それぞれの色のレーザが単色で相対強度１００％で発光した場合を１と、相対強度５％で発光した場合を０．０５として記載している。混色により得られた結果を明るさ（相対値表示で数値が大きいほど明るい）と図４３に示した色度図上の座標値で示している。
　第１の光源部４ａと第２の光源部４ｂにおいて異なる波長の単色レーザを用いることで色合成部５ａで合成後に得られた単色レーザは、同一波長のレーザ光を合成する場合に比較してよりスペックルを軽減できる。
　更に、図４２に記載したようにＮＴＳＣ放送方式で決められている青、緑、赤（図４２に色度座標値を記載）に対して各色レーザ光を単独で発光させた場合に比べ、例えば青色レーザ発光時に緑色レーザ及び赤色レーザを所定の比率で発光させ合成した方が色再現範囲を狭めないで明るさを増加させることが可能であった。発明者らは図４２に記載した単色レーザに複数色のレーザを混色させて明るさを向上させた場合の色目の変化をシミュレーションで求め、図４２に示すマッカダムの等色識別領域を示すグラフと比較した結果、それぞれの色で等色領域内であり実用上問題ない事を確認した。
　以上述べたように、複数色のレーザ光を特定の比率で混色すること色再現範囲を狭めることなく明るさ向上とスペックル低減を実現できる。
　一方、上記（４）については、色合成部５の合成面（プリズム）の角度と合成面への各々の入射位置を最適化することで像面２０上において２つの光源からの異なった入射角度の光を合成することができ、スペックルを軽減することができる。
　以上述べた光源と斜め投写光学系とを組合せて構成した画像表示装置を図４７に示すように複数台並べて（図４）使用することで、実用上十分な色再現範囲を実現しつつ明るさを向上し、スペックルを低減した画像表示装置が実現できる。
　次に、上記（２）について説明する。図３７において、発明者らは、自由曲面ミラー表面の面粗さを制御することでレーザ光のスペックルを低減できることを実験により見出した。自由曲面ミラーを得るためには設計形状に合わせて金型を加工し、得られた金型を使用してプラスチックを成形し、その表面に反射膜を設けることで実現する。このため、ミラーの反射面の面粗さは金型表面の面粗さがほぼそのまま転写されるので、金型表面の面粗さを反射面の位置により最適化することでスペックルが軽減できる。
　図４８～５２は、自由曲面ミラー反射面の面粗さを決定する金型加工の加工方向（加工順）とレーザ光の走査方向の関係を示している。
　図５２は図５０に示した自由曲面ミラー反射面の金型の垂直断面である。自由曲面ミラーの金型加工は例えば図５３に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、加工軸の回転軸であるＣ軸、及び、ワークの回転軸であるＢ軸の５軸制御の加工機を使用する。Ｃ軸に単結晶ダイヤモンドバイトを取り付け、フライカットと呼ばれる加工法で金型表面を削り取ることで所望の形状精度と面粗さを得る。自由曲面ミラーの金型加工は加工機のバイトを図４８に示すように往復移動させて行う。
　この加工跡はレーザ光のスポット３０１の寸法に比較して十分に小さい、金型加工の跡の方向と荒さを所望の値とすることでミラーでの反射光の散乱状態を制御できる。このため、レーザ光の走査方向とミラー金型の加工方向を一致させた図４８に示す実施例と、走査方向とミラー金型の加工方向を直交させた図５１に示す実施例では、成形後に得られたミラー表面の面粗さのパターンが異なり、レーザ光の散乱度合いが異なるのでスペックル軽減の効果も異なる。
　更に、レーザ光の走査方向とミラー金型の加工方向を一致させた図４８に対して、例えば図４９に示すようにバイト加工の往路（図中３０３で表記）と復路（図中３０４で表記）の往復で、加工条件を変化させて意図的に荒さの異なる面を作成する。更に、図５０に示すようにバイト加工の往路（図中３０３で表記）と復路（図中３０４で表記）、更に往路（図中３０５で表記）の往復で加工条件を複数変化させて意図的に荒さの異なる面を作成する。又、この加工条件を不規則に変えることでより複雑なパターンの表面粗さを得ることが可能となり、スペックルを低減できる。
　次に金型加工の方法について説明する。上述した５軸加工機で金型表面を切削して設計で意図した加工面を得る場合、金型表面にはフライカット加工の跡が残る（この加工跡を図中３０３と表記する）。このフライカットで残る跡は図５４に示すように金型（加工物）に対する加工方向により加工精度が異なる為、加工物の寸法と金型の表面形状、特に金型形状によってはバイトが干渉し本来の加工位置以外を切削する可能性があるので使い分けが必要となる。
　図５５は図５４（Ｂ）に示した加工法による切削面を示したものである。得られた加工面の粗さを計測するために加工方向と直交する方向の面粗さを評価した結果を図５６に示す。Ｒａ最大値で３ｎｍ、１０点平均面粗さで４ｎｍと、光の波長に対しても十分な表面粗さを得ることができる。
　一方、図５７は図５４（Ａ）に示した加工法による切削面を示したものである。得られた加工面の粗さを計測するために加工方向と直交する方向の面粗さを評価した結果を図５８に示す。Ｒａ最大値で５ｎｍ、１０点平均面粗さで６ｎｍとなり、図５４（Ｂ）の加工法に対して得られる表面粗さが大きかった。
　このように、加工物の固定テーブル（ワークテーブル）の移動ではなく、加工機本来の加工軸を使用してバイトの移動を行うと、ミラー反射面の良好な面粗さを得ることができる。
　上記実施例によれば、超短投写光学系において、走査ミラー（光走査部）の回動で得られる走査偏向角を拡大できるので、画像表示装置を机上に配置した状態でそのまま走査画像を机上投写できる。又、光源と光走査部を結んだ光軸と光走査部を、４５度以下の角度で配置し、自由曲面レンズと自由曲面ミラーを、当該光軸から偏心して配置することで、自由曲面ミラーと像面の距離を十分に短くしても、自由曲面ミラーで反射した光が再び自由曲面レンズに入射しないよう配置でき、装置の小型化が実現できる。
　又、赤、緑、青それぞれの単色レーザ光源とせず、各々に近接した波長の複数の光源を併用して、レーザのコヒーレント性を低下させてスペックルを抑制することができる。更に、自由曲面ミラーの表面を粗面として一部散乱特性を持たせることで擬似的に発光点の面積を広げ、２次光源化することで、安全規格を満足させながら光量を増加させることができる。
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。

Claims (20)

  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。
  11. 　前記自由曲面ミラーの、前記第１の方向に対応するレーザ光が反射する部分は、前記第２の方向に対応するレーザ光が反射する部分と比べ、前記像面に向かって凸面形状が強くなる、請求項１乃至１０何れか一に記載の画像表示装置。
  12. 　前記光源は、少なくとも一方のビーム状の光がＳ偏光の複数色光で他方のビーム状の光がＰ偏光の複数色光を出射し、
    　前記複数偏波のビーム状の光を合成する色合成部を更に備える、請求項１記載の画像表示装置。
  13. 　前記一方のビーム状の光は少なくとも赤、緑、青色波長領域の光を含み、それぞれの中心波長をＲ１、Ｇ１、Ｂ１（ｎｍ）とした場合、他方のビーム状の光も少なくとも赤、緑、青色波長領域の光の一つの波長領域の光を含み、当該光の中心波長が前記Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１（ｎｍ）と異なる、請求項１２記載の画像表示装置。
  14. 　前記光源から出射した光は楕円形状であり、前記光走査部が走査範囲の中央で静止している場合に前記楕円の短軸方向が前記第１の方向と一致するよう、前記光源と前記像面が配置される、請求項１記載の画像表示装置。
  15. 　前記自由曲面ミラーの表面粗さは、前記光源からの光の前記自由曲面ミラーの走査方向と同一方向又は走査方向に略直交する方向に、複数の面粗さが帯状に存在し、前記帯状の粗さの境界間の寸法が前記自由曲面ミラー上でのビーム寸法に対して小さい、請求項１記載の画像表示装置。
  16. 　前記光源から出射した光を前記第１及び第２の方向の２方向で形成される二次元の走査面に略垂直方向に出射する光路変換部を更に備える、請求項１記載の画像表示装置。
  17. 　前記光走査部を複数備える、請求項１記載の画像表示装置。
  18. 　前記光走査部を磁気シールドできる構造体内に遮蔽し、
    　前記光走査部もしくは当該画像表示装置の筐体の一部に永久磁石、又は電磁石を設け、前記像面又はその近傍に前記磁力で自立可能な構造とする、請求項１記載の画像表示装置。
  19. 　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、当該第１の方向と直交する第２の方向に走査する光走査部と、
    　走査された走査ビーム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、前記像面側に凸面ミラーを有し、
    　前記第１の方向においては、前記像面の中央部分に相当する前記走査ビームの前記凸面ミラーへの入射角度が、前記像面の周辺部分に相当する前記走査ビームの前記凸面ミラーへの入射角度より大きく、
    　前記第２の方向においては、前記凸面ミラーの前記光走査部に近い部分への前記走査ビームの入射角度が、前記凸面ミラーの前記光走査部から遠い部分への入射角度より小さい、画像表示装置。
  20. 前記光走査部は、ＭＥＭＳミラーを備える、請求項１９記載の画像表示装置。
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