JP4594485B2 - 走査光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査光学系に関し、特に、光源から発せられた光を光偏向手段によって偏向して被照射面を２次元走査する走査光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の走査光学系の例として図１０、図１１に示したようなものがある。図１０の場合（特開平８−３２７９２６号）、この走査光学系は、まず、コリメータレンズ５２、スリット５３、シリンドリカルレンズ５４で構成される集光光学系により、光源５１の光をコリメートし、回転多面鏡５５に導く。回転多面鏡５５で反射偏向された光を、レンズ２枚で構成される結像レンズ５６により結像面５７を１次元走査する。
【０００３】
図１１の場合（特開平８−１４６３２０号）は、光源６１の光をコリメータレンズ６２で平行にし、偏向手段６３で反射偏向した後、結像手段６４で被照射面６５を２次元走査している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０の場合は、光学系を構成する光学素子の数が多いので、必要な光学性能を得るための組み立て調整の精度が厳しくなり、コストも増加する。また、図１１の場合は、光学系の具体的な構成が開示されていない。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、少ない光学素子によって構成された小型な走査光学系を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の走査光学系は、光源からの光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記結像光学系が光学部材を含み、前記光学部材の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面が透過作用の単独作用面で、
前記光学部材が光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面を少なくとも１面含む２面以上の反射面を含むことを特徴とするものである。
【０００７】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【０００８】
この走査光学系の作用効果を説明する。光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面を少なくとも１面含む２面以上の反射面で反射することで、折り畳みの効果により光学系を小型化することができる。光学パワーを有する反射面は、レンズ作用と偏向作用を持つので、小型化の効果が大きい。
【０００９】
光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した反射面を使用した光学系では、光学パワーを有し偏心した反射面に対して光線が斜めに入射するために、軸上光線でも偏心によるコマ収差、非点収差等が発生する。この反射面を回転非対称面とすることで、この偏心収差を補正することができる。
【００１０】
また、一般に、走査光学系において光偏向手段によって偏向された光を偏心した反射面に入射させる場合、直線走査性が確保できないという問題が生ずるが、結像光学系の反射面を回転非対称な反射面とすることで直線走査性を確保することができる。
【００１１】
また、回転非対称面を使うことで、結像光学系を２次元ｆアークサインθレンズや２次元ｆθレンズにし、被走査面を等速走査するのが容易になる。
【００１２】
回転多面鏡（ポリゴンミラー）等のように偏向角がリニアに変化する光偏向手段を使う場合は、結像光学系でマイナスのディストーションを発生させ結像光学系をｆθレンズとすることで、被走査面を等速走査することができる。また、ガルバノミラーのように偏向角が正弦波状に変化する偏向手段を使う場合は、偏向角の大きさに応じたディストーション（偏向角が小さい場合はプラスのディストーション、偏向角が大きい場合はマイナスのディストーション）を結像光学系で発生させ結像光学系をｆアークサインθレンズとすることで、被走査面を等速走査することができる。
【００１３】
この場合、結像光学系の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面は、各画角の光線位置が大きく異なり光束径も小さいので、ディストーションの補正に有効である。この面を透過作用と反射作用、透過作用と透過作用のように複数の光学作用の兼用面にしようとすると、兼用面にするための制約条件によりディストーションの補正作用が劣化するので、透過作用のみの単独作用面とすることでディストーションの補正を有効に行うことができる。また、画角の確保も容易になる。
【００１４】
本発明の第２の走査光学系は、第１の走査光学系において、前記光学部材がプリズム部材として構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００１６】
この走査光学系の作用効果を説明する。一般に、反射面は屈折面より偏心誤差を厳しく制御しなければならないので、組み立て調整作業が大変になる。しかし、光学部材の反射面をプリズム部材の１面として構成すれば、この問題が解決できる。
【００１７】
また、偏向手段からプリズム部材に入射する光線が、プリズム部材の入射面で屈折されるので、以降の面への軸外光線の入射光線高を低く設定することができる。そのため、光学系を小型にできると共に、より大きな画角を実現することができる。また、軸外光線の従属光線高も低くなるので、コマ収差等の発生を抑制することもできる。
【００１８】
本発明の第３の走査光学系は、第１の走査光学系において、前記光学部材が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とするものである。
【００１９】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００２０】
この走査光学系の作用効果を説明する。透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、結像光学系を構成する面数を削減し、結像光学系を単純で小型なものにすることができる。この場合、反射作用を全反射作用とすれば、なお好ましい。兼用面における反射を全反射ではなく反射膜での反射により行おうとすると、反射面用の反射膜を透過面用の透過領域と離れた別の位置に形成する必要がある。このため、光学系が大型化する、発生収差が増える等の問題が生ずる。また、反射膜を作製する必要があるので、コストがアップする。
【００２１】
本発明の第４の走査光学系は、第２の走査光学系において、前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を１面含む３面構成であることを特徴とするものである。
【００２２】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００２３】
この走査光学系の作用効果を説明する。第２の走査光学系のプリズム部材を使用する場合、少なくとも、プリズム部材への入射面、２面の反射面、プリズム部材からの射出面が必要となる。兼用面、透過面、反射面からなる３面という最小の面数でプリズム部材を構成できるので、プリズム部材を単純で小型なものにすることができる。
【００２４】
本発明の第５の走査光学系は、光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記集光光学系から射出して前記光偏向手段に入射する前記集光光学系の最後の面と、前記光偏向手段から前記結像光学系に入射する前記結像光学系の最初の面が同一面であることを特徴とするものである。
【００２５】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００２６】
この走査光学系の作用効果を説明する。光源から被走査面に向かう順光線追跡において、光偏向手段の前後の面である「集光光学系を構成する最後の面」と「結像光学系の最初の面」を別々の面とする場合、この２面の位置を離す必要があるので、光偏向手段と光偏向手段の前後の面を離すか、光偏向手段に対する光線入射角を大きくする必要がある。
【００２７】
しかし、光偏向手段と光偏向手段の前後の面を離すと光学系が大型化する。また、光偏向手段に対する光線入射角を大きくすると光偏向手段の面積が大きくなるので、大きな偏向角や高い偏向周波数（走査周波数）を確保するのが難しくなる。これは、特に、特開平１０−２０２２６号で開示されているようなマイクロマシン技術を利用して製作したマイクロマシンスキャナのように単一の反射面で構成される光偏向手段の場合に大きな問題点となる。
【００２８】
光偏向手段の前後の面を同一面とすれば、光偏向手段に対する光線入射角を小さくすることができる。その結果、光偏向手段の面積を小さくすることができるので、光偏向手段の偏向角を大きくしたり偏向周波数（走査周波数）を高周波にすることができる。
【００２９】
本発明の第６の走査光学系は、第５の走査光学系において、前記光偏向手段の前後の光学作用面が透過面であることを特徴とするものである。
【００３０】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００３１】
この走査光学系の作用効果を説明する。光源から被走査面に向かう順光線追跡において、光偏向手段の前後の光学作用面を反射面とすると、集光光学系を構成する最後の面（反射面１）と結像光学系を構成する最初の面（反射面２）の両方が反射面になるので、反射面１への入射光と反射型光偏向手段の干渉、反射面２での反射光と反射型光偏向手段の干渉を防ぐために、反射型光偏向手段への光線入射角を大きくするか、反射型光偏向手段の前後の面（反射面１＝反射面２）と光偏向手段の距離を大きくするか、光偏向手段に対する入射面と主走査面が角度をなす（平行でない）ようにする必要が生ずる。しかし、それぞれの方法では、光偏向手段の面積が大きくなる、光学系の大きさが大きくなる、偏心収差の補正が困難になる等の問題が生ずる。
【００３２】
光偏向手段の前後の光学作用面を透過面とすれば、このような問題点を解消することができる。
【００３３】
本発明の第７の走査光学系は、第５の走査光学系において、前記結像光学系が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とするものである。
【００３４】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００３５】
この走査光学系の作用効果を説明する。透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、結像光学系を構成する面数を削減し、結像光学系を単純で小型なものにすることができる。この場合、反射作用を全反射作用とすれば、なお好ましい。兼用面における反射を全反射ではなく反射膜での反射により行おうとすると、反射面用の反射膜を透過面用の透過領域と離れた別の位置に形成する必要がある。このため、光学系が大型化する、発生収差が増える等の問題が生ずる。また、反射膜を作製する必要があるので、コストがアップする。
【００３６】
本発明の第８の走査光学系は、光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記走査光学系がプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含むことを特徴とするものである。
【００３７】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００３８】
この走査光学系の作用効果を説明する。集光光学系の一部と結像光学系の一部を一つの光学素子で構成できるので、走査光学系を構成する部品点数を削減することができる。その結果、所望の性能を得るための組み立て時の位置調整作業が楽になるし、低コスト化することができる。
【００３９】
本発明の第９の走査光学系は、第８の走査光学系において、前記集光光学系と前記結像光学系が一つのプリズム部材で構成されていることを特徴とするものである。
【００４０】
この走査光学系は、後記の実施例１〜３、６が対応する。
【００４１】
この走査光学系の作用効果を説明すると、第８の走査光学系の効果がより大きくなる。
【００４２】
本発明の第１０の走査光学系は、光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる第１、５又は８の走査光学系において、前記集光光学系と前記結像光学系との合計で３回以上反射することを特徴とするものである。
【００４３】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００４４】
この走査光学系の作用効果を説明する。合計３回以上反射させることで折りたたみの効果が大きくなり、走査光学系全体の小型化の効果をより大きくすることができる。
【００４５】
本発明の第１１の走査光学系は、第８の走査光学系において、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を持つことを特徴とするものである。
【００４６】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００４７】
この走査光学系の作用効果を説明する。透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、走査光学系を構成する面数を削減し、光学系を単純で小型なものにすることができる。この場合、反射作用を全反射作用とすれば、なお好ましい。兼用面における反射を全反射ではなく反射膜での反射により行おうとすると、反射面用の反射膜を透過面用の透過領域と離れた別の位置に形成する必要がある。このため、光学系が大型化する、発生収差が増える等の問題が生ずる。また、反射膜を作製する必要があるので、コストがアップする。
【００４８】
本発明の第１２の走査光学系は、第１１の走査光学系において、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が２回の透過作用と１回の反射作用の３つの光学作用を行う兼用面を持つことを特徴とするものである。
【００４９】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００５０】
この走査光学系の作用効果を説明すると、第１１の走査光学系の効果が更に大きくなる。また、プリズム部材の光偏向手段に面した面をこの兼用面とすると、第５の走査光学系の作用効果を得ることができる。
【００５１】
本発明の第１３の走査光学系は、第８の走査光学系において、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材において、
前記プリズム部材に含まれる前記集光光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの射出面の３面を含み、
前記プリズム部材に含まれる前記結像光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への再入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの再射出面の３面を含むことを特徴とするものである。
【００５２】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００５３】
この走査光学系の作用効果を説明する。光学パワーを有する反射面は、レンズ作用と偏向作用を持つので、光学系を小型化する効果が大きい。本走査光学系の場合、集光光学系、結像光学系の両方を小型化できるので、走査光学系全体を小型化できる。
【００５４】
しかし、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した反射面を使用した光学系では、偏心した反射面に対して光線が斜めに入射するために、軸上光線でも偏心によるコマ収差、非点収差等が発生する。この反射面を回転非対称面とすることで、この偏心収差を補正することができる。
【００５５】
また、一般に、走査光学系において光偏向手段によって偏向された光を偏心した反射面に入射させる場合、直線走査性が確保できないという問題が生ずるが、結像光学系の反射面を非回転対称な反射面とすることで直線走査性を確保することができる。また、回転非対称面を使うことで、結像光学系を２次元ｆアークサインθレンズや２次元ｆθレンズにし、走査光学系で被走査面を等速走査をすることができる。
【００５６】
また、プリズム部材に含まれる集光光学系の部分に非回転対称な反射面を使用することで、ＬＤのように楕円状の断面形状を持つ光源に対するビーム整形作用を持たせたり、面倒れ補正機能を持たせることができる。
【００５７】
一般に、反射面は屈折面より偏心誤差を厳しく制御しなければならないので、組み立て調整作業が大変になる。しかし、反射面をプリズム部材の１面として構成すれば、この反射面の調整作業が削減できる。
【００５８】
また、偏向手段からプリズム部材の結像光学系の部分に入射する光線がプリズム部材の入射面で屈折されるので、以降の面への軸外光線の入射光線高を低く設定することができる。そのため、光学系を小型にできると共に、より大きな画角を実現することができる。また、軸外光線の従属光線高も低くなるので、コマ収差等の発生を抑制することもできる。
【００５９】
本発明の第１４の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つことを特徴とするものである。
【００６０】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００６１】
この走査光学系の作用効果を説明すると、形状に関する対称面を持つことにより製作性を向上させることができる。
【００６２】
本発明の第１５の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記集光光学系が形状に関する対称面を１つだけ持つ非回転対称面を含むことを特徴とするものである。
【００６３】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００６４】
この走査光学系の作用効果を説明すると、回転非対称な面の作用効果は第１３の走査光学系と同じである。形状に関する対称面を１つ持つことによる作用効果は、第１４の走査光学系と同じである。以上の作用効果を集光光学系が持つ。
【００６５】
本発明の第１６の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つ自由曲面であることを特徴とするものである。
【００６６】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００６７】
この走査光学系の作用効果を説明する。本発明で使用する自由曲面とは、例えば以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００６８】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００６９】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００７０】
自由曲面項は、
ただし、Ｃj （ｊは２以上の整数）は係数である。
【００７１】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００７２】
また、Ｙの奇数項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００７３】
上記対称面の何れか一方を対称面としその対称面方向に偏心させることで、偏心により発生する非回転対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上させることができる。
【００７４】
なお、自由曲面の定義式は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式等他の定義式としてもよい。
【００７５】
本発明の第１７の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記光偏向手段が、１個の光偏向手段で２次元偏向する２次元光偏向手段であることを特徴とするものである。
【００７６】
この走査光学系は、後記の実施例１〜５が対応する。
【００７７】
この走査光学系の作用効果を説明する。光偏向手段の面積を小さくするには、結像光学系の入射瞳付近に偏向手段を配置する必要がある。２つの１次元光偏向手段を使って２次元走査を行う場合、光偏向手段の大きさを小さくするには、２つの１次元光偏向手段を共役にするか２つの１次元光偏向手段の間隔を小さくする必要があり、光学系が複雑・大型化する、光学系のレイアウトに関する制約条件が増える等の問題点が生ずる。１つの光偏向手段で２次元偏向すれば、光学系のレイアウトがしやすく、光学系を小型で単純なものにすることができる。
【００７８】
本発明の第１８の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記光偏向手段による偏向角が正弦波状に変化することを特徴とするものである。
【００７９】
この走査光学系は、後記の実施例１、２、４〜６が対応する（電気的像歪み補正を行えば実施例３も対応する。）。
【００８０】
この走査光学系の作用効果を説明する。例えば、特開平１０−２０２２６号で開示されているようなマイクロマシン技術を利用して製作したマイクロマシンスキャナは反射ミラーを１面だけ持ち、高速走査をする場合、この反射ミラーは正弦波状に振動し光を反射偏向する。このような光偏向手段を使えば、光偏向手段を小型、低コスト、低消費電力にし、高速走査をすることができる。このとき、走査光学系の結像光学系をｆアークサインθレンズにしてやれば、被走査面を等速走査することができる。
【００８１】
本発明の第１９の走査光学系は、第１８の走査光学系において、前記の偏向角が正弦波状に変化する光偏向手段において、光偏向角の振幅の９５％以下を走査に利用することを特徴とするものである。
【００８２】
この走査光学系は、後記の実施例１、２、４〜６が対応する（電気的像歪み補正を行えば実施例３も対応する。）。
【００８３】
この走査光学系の作用効果を説明する。以下、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等の反射型偏向器の場合で説明する。図９（ａ）に示すように、反射型偏向器（反射型偏向手段）の反射面の基準反射面からの振れ角φが、正弦波状に変化する偏向手段を使う場合、電気的な像歪み補正なしに等速走査するには、結像光学系をｆアークサインθレンズにする必要がある。
【００８４】
反射面の振れ角が振幅φ0 ／ｋで正弦波状に変化する偏向手段において、振れ角の振幅のｋ倍の振れ角（±φ0 ）を利用して被走査面を走査するとする。このとき、結像光学系をｆアークサインθレンズにするためには、次式を満たす必要がある（０＜ｋ≦１）。
【００８５】
像高ｙ＝ｆ・２（φ0 ／ｋ）arcsin｛φ／（φ0 ／ｋ）｝
偏向が±２０°程度の場合、偏向角の全部に対して結像光学系をｆアークサインθレンズにするためには、非常に大きなプラスのディストーションを発生させる必要があり結像光学系の設計が困難である。そこで、φ／（φ0 ／ｋ）の線形性が良い領域のみを利用すると、結像光学系をｆアークサインθレンズにするのが容易になる。
【００８６】
ｋを０．９５以下にすると、φ／（φ0 ／ｋ）の線形性がｋ＝１の場合と直線の中間程度以下となり、結像光学系をｆアークサインθレンズにするのが容易になる。その結果、光学系を単純で小型なものにすることができる。
【００８７】
また、通常のディスプレイでも１７％程度のブランキング期間があるように、走査光学系においても電気的な処理の関係から偏向角の全部は使用できない。この場合、偏向手段の偏向角の振幅の９５％程度が上限となる。
【００８８】
図９（ｂ）に示すように、音響光学偏向器ＡＯＤのような透過型の光偏向手段の場合は、以上の説明において２φを偏向角とみなしてやればよい。
【００８９】
本発明の第２０の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、電気的な等速走査性の補正を行うことを特徴とするものである。
【００９０】
この走査光学系は、何れの実施例実施例に適用してもよい。
【００９１】
この走査光学系の作用効果を説明する。特に、２次元走査を行う場合、光偏向手段の偏向特性に合わせて結像光学系のディストーションを制御することで、２次元的な直線走査性・等速走査性を確保しようとすると光学系が複雑・大型化する。一方、高速な２次元走査をする場合、直線走査性の電気的な像歪み補正は２次元的な補正になるので、補正をリアルタイムに行うことは困難になる。
【００９２】
そこで、直線走査性は結像光学系で確保し等速走査性は電気的な補正を行うことで確保するようにすると、光学系を単純で小型なものにすることができるし、電気的な像歪み補正は主走査方向の１本の走査線に対する補正になるので高速走査にも対応できる。
【００９３】
この場合、正弦波状に変化する偏向角の振幅の全てを利用しようとすると、走査速度の速い像の中心付近と走査速度の遅い像の周辺付近の走査速度の差が大きくなりすぎる。その結果、電気的像歪み補正を行う場合でも、精度良く補正を行うことができなくなる。偏向角振幅の８５％程度を使用すると、等速走査性の補正が２段階程度でよくなるので好ましい。
【００９４】
本発明の第２１の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記光偏向手段による偏向角がリニアに変化することを特徴とするものである。
【００９５】
この走査光学系は、後記の実施例３が対応する（電気的像歪み補正を行えば実施例１、２、４〜６も対応する。）。
【００９６】
この走査光学系の作用効果を説明する。回転多面鏡（ポリゴンミラー）は等速回転しているので、光偏向角はリニアに変化する。光偏向手段として回転多面鏡（ポリゴンミラー）を使えば、光偏向手段で大きな偏向角を確保でき、走査光学系の画角を大きくすることができる。このとき、走査光学系の結像光学系をｆθレンズにすれば、被走査面を等速走査することができる。
【００９７】
本発明の第２２の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記結像光学系が、形状に関する対称面を１つだけ持ち、その形状に関する対称面内方向のみで偏心しており、前記走査光学系が、次式を満足することを特徴とするものである。
【００９８】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＜１ ・・・（１）
ここで、被走査面側の対称面内方向における結像光学系の半画角をθ2 、対称面と直交面方向における結像光学系の半画角をθ1 、対称面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ2 、対称面と直交面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ1 とする。
【００９９】
ポリゴンミラー、ガルバノミラーのような反射型偏向手段の場合、走査に必要な反射ミラーの片側振れ角がφ1 、φ2 であることに相当する。ここで言う反射ミラー面の片側振れ角は、被走査面の中心に対応する反射ミラー面からの最大ずれ角である。この場合、必ずしも光偏向手段の反射ミラーが±φ振れるというわけではない。反射ミラーの振幅の一部を利用して被走査面の走査を行う場合は、走査に利用するのが±φということである。また、音響光学偏向器ＡＯＤのような透過型の光偏向手段の場合は、片側偏向角が２φ1 、２φ2 に相当する（図９）。 この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【０１００】
この走査光学系の作用効果を説明する。ポリゴンミラー、ガルバノミラーのような反射型の光偏向手段を使用した場合で説明する（図９（ａ））。反射型光偏向手段の片側振れ角がφ（偏向角が２φ）のとき、結像光学系の走査半画角がθとする。このとき、順追跡における、結像光学系の瞳倍率＝２φ／θである。
【０１０１】
結像光学系が形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内のみで偏心していると、結像光学系の製作性が向上し、コストも下がるので好ましい。この場合、形状に関する対称面と垂直方向は広画角を確保しやすいので、この方向を１次元走査光学系の走査方向あるいは２次元走査光学系の走査画角の大きい方向にするとよい。このとき、結像光学系を偏心させている面内方向は、偏心した面と面が干渉しないように光学系を構成する必要があるので、結像光学系を構成するのが難しくなる。
【０１０２】
そこで、結像光学系を偏心させている方向（結像光学系の形状に関する対称面内方向）の瞳倍率を対称面と垂直方向の瞳倍率より小さくし、結像光学系内での光束の広がり角を小さくした方が結像光学系を構成しやすくなる。
【０１０３】
すなわち、次式を満足することが望ましい。
【０１０４】
１＞対称面内の瞳倍率／対称面と直交面内の瞳倍率
＝（２φ2 ／θ2 ）／（２φ1 ／θ1 ）
＝φ2 θ1 ／φ1 θ2
結像光学系の形状に関する対称面方向を副走査方向、対称面と垂直方向を主走査方向とする場合、走査面での主走査方向と副走査方向の結像光学系の分解能を等しくするには、光偏向手段の副走査方向の寸法を主走査方向の寸法より大きくする必要が生ずる。２次元走査を行う場合に、高速走査が必要となるの主走査方向の寸法が小さいので、高速走査に対応しやすくなる。
【０１０５】
本発明の第２３の走査光学系は、第２２の走査光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。
【０１０６】
ＮＡ２／ＮＡ１＞１ ・・・（２）
ここで、形状に関する対称面内方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ２、形状に関する対称面と垂直方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ１とする。
【０１０７】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【０１０８】
この走査光学系の作用効果を説明する。結像光学系の形状に関する対称面方向を副走査方向、対称面と垂直方向を主走査方向とする場合、走査面での主走査方向と副走査方向での結像光学系の分解能を等しくするには、光偏向手段の副走査方向の寸法を主走査方向の寸法より大きくする必要が生ずる。
【０１０９】
光源を発した光が、走査手段において上記形状になるためには、条件式（２）を満足した方が集光光学系の構成が容易になる。
【０１１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の走査光学系の実施例１から実施例６について図面を参照して説明する。
【０１１１】
以下の説明では、Ｘ方向を主走査方向、Ｙ方向を副走査方向として説明する。
【０１１２】
各実施例の逆光線追跡での構成パラメータは後記するが、その各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線１を、不図示の被走査面の中心を垂直に通り、光偏向手段１２を経て光源１１の中心に至る光線で定義する。
【０１１３】
そして、逆光線追跡において、無偏心状態に戻した第１面４Ｔ（実際にはＹ方向に偏心している。）を偏心光学系の原点とし、軸上主光線１に沿う方向をＺ軸方向とし、被走査面から光学系１０の第１面４Ｔに向かう方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と被走査面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面（図１の面）とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏方向に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図１には、この座標系を図示してある。その他の実施例を示す図４〜図８については、この座標系の図示は省く。
【０１１４】
偏心面については、上記座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【０１１５】
実施例１〜６では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【０１１６】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面（仮想面を含む。）とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【０１１７】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１１８】
また、ＤＯＥ（回折光学素子）については、設計法としてSweatt法（超高屈折率法）を使用し（W.C.Sweatt,"Mathematical equivalence between a holographic optical element and an ultra-high index lens",J.Opt.Soc.Am,Vol.69,No.3(1979) ）、基準波長＝５８７．５６ｎｍ（ｄ線）とし、その基準波長における超高屈折率レンズの屈折率＝１００１、アッベ数＝−３．４５とした。
【０１１９】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍ、角度の単位は°である。
【０１２０】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【０１２１】
なお、Ｘ軸方向に対称な光学系として設計するには、Ｄ4 ，Ｄ5 ，Ｄ6 、Ｄ10０，Ｄ11，Ｄ12，Ｄ13，Ｄ14，Ｄ20，Ｄ21，Ｄ22…を利用する。
【０１２２】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）があげられる。
【０１２３】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【０１２４】
なお、本発明の実施例では、前記（ａ）式を用いた自由曲面で面形状が表現されているが、上記（ｂ）式、（ｃ）式を用いても同様の作用効果を得られるのは言うまでもない。
【０１２５】
（実施例１）
この実施例の走査光学系の光軸を含むＹ−Ｚ平面図（副走査方向面内における断面図）を図１に示す。この走査光学系の水平画角５４°、垂直画角４２°であり、光偏向手段の大きさはφ１ｍｍである。
【０１２６】
この走査光学系１０の構成は、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１２７】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１２８】
光源１１として、ＬＥＤ、ＬＤ等が使用できる。複数の単色光源を利用してカラー表示する場合は、例えば、図２に示すようにすればよい。図２において、短波長光、例えば５００ｎｍ以下の波長の光を反射させるダイクロイックミラー２４を直角プリズムからなる光源プリズム２１と光源プリズム２２の接合面にコーティングし、長波長光、例えば６００ｎｍ以上の光を反射させるダイクロイックミラー２５を直角プリズムからなる光源プリズム２２と光源プリズム２３の接合面にコーティングしている。そして、Ｂ光源１１B 、Ｒ光源１１R 、Ｇ光源１１G を、それぞれ光源プリズム２１、光源プリズム２２、光源プリズム２３のそれぞれの波長において被走査面の像点と共役な位置に接着し、走査光学系の色収差の影響を除去している。
【０１２９】
この構成により、ＲＧＢ光を走査光学系１０に導き、カラー表示を行うことができる。このとき、図示しないＲＧＢ用強度変調装置により、映像信号に基づき各画素ごとにＲＧＢ光のそれぞれを輝度変調する。
【０１３０】
走査手段（２次元スキャナ）１２としていくつかのものを使用することができるが、特開平１０−２０２２６号で開示されているようなマイクロマシン技術を利用して製作したマイクロマシンスキャナは、小型、低消費電力等の利点を持つので、小型光学系用としては最適である。
【０１３１】
この場合、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電素子駆動方式等、各種駆動方式のマイクロマシンスキャナが使用できる。２次元マイクロマシンスキャナの１例の平面図を図３に示す。この例では、ミラー部３４をＹ軸方向に延びるトーションバー３３で中間枠３２に連結し、その中間枠３２をＸ軸方向に延びるトーションバー３１で外枠３０に連結して、トーションバー３３の回りでの揺動により水平走査（Ｘ方向走査）、トーションバー３１の回りでの揺動により垂直走査（Ｙ方向走査）するようにしている。
【０１３２】
一般に、反射面を複数面持つ回転多面鏡（ポリゴンミラー）をスキャナとして使用する場合は、光学系が面倒れ補正機能を持つ必要がある。しかし、図３に示すようなマイクロマシンスキャナは反射面を１面３４しか持たないし、問題となる面倒れはスキャナの構造上発生しないので、光学系が面倒れ補正機能を持つ必要がなく光学系の構成を単純にできる。
【０１３３】
この場合、反射面の基準面に対する軸上主光線の入射角θs が、次式を満足することが好ましい。
【０１３４】
θs ≦４５°
この条件の上限の４５°を越えると、同じ光束を反射偏向する場合でも、反射面の面積が大きくなるので、大偏向角や高走査周波数を確保するのが難しくなる。本実施例では、θｓ＝２０°である。
【０１３５】
なお、正弦波状に往復振動するスキャナの振れ角の往路だけの片側走査でも、往路と復路両方の往復走査でもどちらでもよいが、往復走査を行うと走査手段の走査周波数を半分にできるので高速走査に対応しやすい。
【０１３６】
この実施例の走査光学系１０の利点について説明する。プリズム部材１０の１個で集光光学系と結像光学系を構成しているので、先行例に比べ大幅に部品点数を削減し、光学系が小型化、低コスト化できる。また、部品点数が少ないので位置調整作業が削減でき、製作時に性能を確保するのも容易になる。
【０１３７】
また、集光光学系で１回反射、結像光学系で２回反射、スキャナで１回反射の計４回反射しているので、折り畳みの効果により光学系を小型化できている。また、走査光学系１０の主たるパワーを反射面が持つので、色収差の発生が少なく、ＬＤを光源とした場合でもＬＤの波長変動による走査光学系１０の光学性能の変化が少ない。また、凸パワー作用を持つ第２反射面２Ｒと凹パワー作用を持つ第３反射面（全反射面）３Ｒの組み合わせにより、走査画角全域における像面湾曲を補正している。
【０１３８】
また、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面２Ｔ（３Ｔ，３Ｒ）があるので、光学系を構成する面数が削減でき、集光光学系と結像光学系を小型化できている。この面を偏向手段１２に対して凹面形状にした方が、反射作用を全反射作用にしやすい。
【０１３９】
また、直線走査性、等速走査性に関して、一般に、反射型走査光学系では直線走査性の確保が問題となる。本実施例では、反射面が偏心収差を補正する回転非対称な形状なので、２次元的な直線走査性を確保している。
【０１４０】
２次元走査に必要なスキャンミラー１２の振れ角は、φｘ＝±７．９５°、φｙ＝±３．２０°であり、この場合、正弦波状に振動するスキャンミラーの６５％程度に対して結像光学系がｆアークサインθレンズ特性を持つので、２次元的な直線走査、等速走査を行うことができる（Ｘ方向のスキャンミラー振れ角φｘ＝±１２．２°の振幅の６５％が、Ｘ方向の走査に必要なミラー振れ角φｘ＝±７．９５°。Ｙ方向のスキャンミラー振れ角φｙ＝±４．９３°の振幅の６５％が、Ｙ方向の走査に必要なミラー振れ角φｙ＝±３．２０°。）。
【０１４１】
スキャンミラー１２の振れ角が本実施例程度の場合、結像光学系をｆアークサインθレンズにするには、結像光学系でプラスのディストーションを発生させる必要がある。本実施例のように、結像光学系の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面４Ｔを透過作用のみの単独作用面とすることでディストーションの補正を有効に行うことができる。また、画角の確保も容易になる。
【０１４２】
なお、結像光学系により形成される非等速走査像を等速走査像に変換する電気的な像歪み補正（等速走査性の補正）を行えば、正弦波状に振動するスキャンミラー１２の振幅全部を利用することもできるし、スキャンミラー振れ角がリニアに変化するスキャナを利用することもできる。
【０１４３】
また、集光光学系にビーム整形機能を持たせている。偏向手段１２をφ１ｍｍとする場合、集光光学系の光源側ＮＡは、Ｘ方向が０．１６、Ｙ方向が０．１９である。
【０１４４】
次に、この実施例の変形について述べると、ここでは、点状光源１１を２次元スキャンすることで２次元像を形成しているが、線状のアレー光源を１次元スキャンするようにしてもよい。
【０１４５】
また、ここではスキャナのＸ方向の寸法＝Ｙ方向の寸法として設計を行っているが、被走査面側でのＸ方向の分解能とＹ方向の分解能を等しくする等のためにスキャナ１２のＸ方向の寸法≠Ｙ方向の寸法としてもよい。
【０１４６】
（実施例２）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図４に示す。この走査光学系の水平画角５４°、垂直画角４２°である。
【０１４７】
この走査光学系１０の構成は、実施例１と同様であり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１４８】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１４９】
この実施例は、実施例１よりｆアークサインθレンズ特性を向上させたタイプである。正弦波状に振動するスキャンミラー１２に対して、Ｘ方向、Ｙ方向共スキャンミラー振れ角振幅の約７０％に対してｆアークサインθレンズ特性を持つ。
【０１５０】
なお、ディストーションをコントロールしやすい位置であるプリズム１０と被走査面の間等にレンズを追加すれば、ｆアークサインθレンズ特性を更に向上させることができる。
【０１５１】
（実施例３）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図５に示す。この走査光学系の水平画角５４°、垂直画角４２°であり、光偏向手段の大きさはφ１ｍｍである。
【０１５２】
この走査光学系１０の構成は、実施例１、２と同様であり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１５３】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１５４】
この実施例は、回転多面鏡（ポリゴン）のように偏向角がリニアに変化する偏向手段１２を使った場合、被走査面で等速走査ができるように結像光学系をｆθレンズ（Ｘ方向の主走査方向、Ｙ方向の副走査方向に関する２次元ｆθレンズ）にしたものである。
【０１５５】
（実施例４）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図６に示す。この走査光学系の水平画角４７°、垂直画角３６°であり、光偏向手段の大きさはφ１．１ｍｍである。
【０１５６】
この走査光学系１０の構成は、実施例１〜３の配置において、プリズム１０とスキャナ１２の間にＤＯＥ（回折光学素子）１３を配置してなるものであり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１５７】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔ、スキャナ１２側の面に回折面１４を設けたＤＯＥ１３で構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、スキャナ１２側の面に回折面１４を設けたＤＯＥ１３、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１５８】
この実施例は、プリズム１０とスキャナ１２の間にＤＯＥ１３を配置し、走査光学系の色収差を補正したものであり、光源１１から被走査面に向かう順光線追跡で、集光光学系から射出してスキャナ１２へ向かう際とスキャナ１２から結像光学系に入射する際の両方で、ＤＯＥ１３の作用を受けるようにしている。
【０１５９】
なお、２次元スキャナ１２としてマイクロマシンスキャナを使用する場合、ＤＯＥ１３を形成した基板をスキャナ１２の保護部材や密閉部材として使用する等、スキャナ１２と一体化してもよい。
【０１６０】
（実施例５）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図７に示す。この走査光学系１０の構成は、実施例１〜３の配置において、光源１１とプリズム１０の間にＤＯＥ１３を配置してなるものであり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１６１】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、プリズム１０側の面に回折面１４を設けたＤＯＥ１３、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１６２】
この実施例は、光源１１とプリズム１０の間にＤＯＥ１３を配置し、走査光学系の色収差を補正したものである。
【０１６３】
（実施例６）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図８に示す。この走査光学系は水平画角８２°、スキャナの大きさはφ２．６ｍｍの１次元走査光学系である。
【０１６４】
この走査光学系１０の構成は、実施例１と略同様であり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた水平方向（Ｘ方向）に１次元走査を行うことで、無偏心状態に戻した第１面４Ｔから前方の１０ｍｍの位置の被走査面に結像し被走査面を１次元走査するものである。
【０１６５】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、１次スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を１次元走査する。
【０１６６】
この実施例は、主走査方向（Ｘ方向）は、正弦波状に振れ角が変化するスキャナ１２の振れ角振幅の９５％に対してｆアークサインθレンズ特性を持つ。
【０１６７】
以下に上記実施例１〜６の構成パラメータ（レンズデータ）を示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＳ”は反射面、“ＤＯＥ”は回折面を示す。なお、スキャナは絞り面に、光源は像面に配置される。
【０１６８】
【０１６９】
【０１７０】
【０１７１】
【０１７２】
【０１７３】
【０１７４】
上記各実施例における条件式（１）、（２）関係の値は以下の通りである。なお、主光線に対する上側マージナル光線と下側マージナル光線が非対称な場合は、両者の平均によりＮＡｙ（ＮＡ２）を求めた。
【０１７５】
以上の実施例では、前記定義式（ａ）の自由曲面により光学系を構成したが、他の定義の曲面でも光学系を構成できることはいうまでもない。
【０１７６】
以上、本発明の走査光学系を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず数々の変形が可能である。
【０１７７】
以上の本発明の走査光学系は例えば次のように構成することができる。
【０１７８】
〔１〕 光源からの光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記結像光学系が光学部材を含み、前記光学部材の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面が透過作用の単独作用面で、
前記光学部材が光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面を少なくとも１面含む２面以上の反射面を含むことを特徴とする走査光学系。
【０１７９】
〔２〕 前記光学部材がプリズム部材として構成されていることを特徴とする上記１記載の走査光学系。
【０１８０】
〔３〕 前記光学部材が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とする上記１記載の走査光学系。
【０１８１】
〔４〕 前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を１面含む３面構成であることを特徴とする上記２記載の走査光学系。
【０１８２】
〔５〕 光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記集光光学系から射出して前記光偏向手段に入射する前記集光光学系の最後の面と、前記光偏向手段から前記結像光学系に入射する前記結像光学系の最初の面が同一面であることを特徴とする走査光学系。
【０１８３】
〔６〕 前記光偏向手段の前後の光学作用面が透過面であることを特徴とする上記５記載の走査光学系。
【０１８４】
〔７〕 前記結像光学系が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とする上記５記載の走査光学系。
【０１８５】
〔８〕 光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記走査光学系がプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含むことを特徴とする走査光学系。
【０１８６】
〔９〕 前記集光光学系と前記結像光学系が一つのプリズム部材で構成されていることを特徴とする上記８記載の走査光学系。
【０１８７】
〔１０〕光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記集光光学系と前記結像光学系との合計で３回以上反射することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１８８】
〔１１〕 少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を持つことを特徴とする上記８記載の走査光学系。
【０１８９】
〔１２〕 少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が２回の透過作用と１回の反射作用の３つの光学作用を行う兼用面を持つことを特徴とする上記１１記載の走査光学系。
【０１９０】
〔１３〕 少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材において、
前記プリズム部材に含まれる前記集光光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの射出面の３面を含み、
前記プリズム部材に含まれる前記結像光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への再入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの再射出面の３面を含むことを特徴とする上記８記載の走査光学系。
【０１９１】
〔１４〕 前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つことを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９２】
〔１５〕 前記集光光学系が形状に関する対称面を１つだけ持つ非回転対称面を含むことを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９３】
〔１６〕 前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つ自由曲面であることを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９４】
〔１７〕 前記光偏向手段が、１個の光偏向手段で２次元偏向する２次元光偏向手段であることを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９５】
〔１８〕 前記光偏向手段による偏向角が正弦波状に変化することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９６】
〔１９〕 前記の偏向角が正弦波状に変化する光偏向手段において、光偏向角の振幅の９５％以下を走査に利用することを特徴とする上記１８記載の走査光学系。
【０１９７】
〔２０〕 電気的な等速走査性の補正を行うことを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９８】
〔２１〕 前記光偏向手段による偏向角がリニアに変化することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９９】
〔２２〕 前記結像光学系が、形状に関する対称面を１つだけ持ち、その形状に関する対称面内方向のみで偏心しており、前記走査光学系が、次式を満足することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０２００】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＜１ ・・・（１）
ここで、被走査面側の対称面内方向における結像光学系の半画角をθ2 、対称面と直交面方向における結像光学系の半画角をθ1 、対称面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ2 、対称面と直交面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ1 とする。
【０２０１】
〔２３〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記２２記載の走査光学系。
【０２０２】
ＮＡ２／ＮＡ１＞１ ・・・（２）
ここで、形状に関する対称面内方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ２、形状に関する対称面と垂直方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ１とする。
【０２０３】
【発明の効果】
本発明は、走査光学系を反射作用を含むプリズム部材を中心に構成することにより、走査光学系の部品点数を削減し、光学系を小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の走査光学系の光路図である。
【図２】複数の単色光源を利用してカラー表示する場合の光源の構成例を示す図である。
【図３】２次元マイクロマシンスキャナの１例の平面図である。
【図４】本発明の実施例２の走査光学系の光路図である。
【図５】本発明の実施例３の走査光学系の光路図である。
【図６】本発明の実施例４の走査光学系の光路図である。
【図７】本発明の実施例５の走査光学系の光路図である。
【図８】本発明の実施例６の走査光学系の光路図である。
【図９】反射型光偏向手段と透過型光偏向手段の基本形構成を示す図である。
【図１０】従来の１つの走査光学系の構成を示す図である。
【図１１】従来の別のもう１つの走査光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線
１Ｔ…第１透過面
１Ｒ…第１反射面
２Ｔ…第２透過面
２Ｒ…第２反射面
３Ｔ…第３透過面
３Ｒ…第３反射面（全反射）
４Ｔ…第４透過面
１０…走査光学系（プリズム）
１１…光源
１１B …Ｂ光源
１１R …Ｒ光源
１１G …Ｇ光源
１２…光偏向手段（スキャナ）
１３…ＤＯＥ（回折光学素子）
１４…回折面
２１、２２、２３…光源プリズム
２４、２５…ダイクロイックミラー
３０…外枠
３１…トーションバー
３２…中間枠
３３…トーションバー
３４…ミラー部
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査光学系に関し、特に、光源から発せられた光を光偏向手段によって偏向して被照射面を２次元走査する走査光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の走査光学系の例として図１０、図１１に示したようなものがある。図１０の場合（特開平８−３２７９２６号）、この走査光学系は、まず、コリメータレンズ５２、スリット５３、シリンドリカルレンズ５４で構成される集光光学系により、光源５１の光をコリメートし、回転多面鏡５５に導く。回転多面鏡５５で反射偏向された光を、レンズ２枚で構成される結像レンズ５６により結像面５７を１次元走査する。
【０００３】
図１１の場合（特開平８−１４６３２０号）は、光源６１の光をコリメータレンズ６２で平行にし、偏向手段６３で反射偏向した後、結像手段６４で被照射面６５を２次元走査している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０の場合は、光学系を構成する光学素子の数が多いので、必要な光学性能を得るための組み立て調整の精度が厳しくなり、コストも増加する。また、図１１の場合は、光学系の具体的な構成が開示されていない。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、少ない光学素子によって構成された小型な走査光学系を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の走査光学系は、光源からの光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記結像光学系が光学部材を含み、前記光学部材の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面が透過作用の単独作用面で、
前記光学部材が光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面を少なくとも１面含む２面以上の反射面を含むことを特徴とするものである。
【０００７】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【０００８】
この走査光学系の作用効果を説明する。光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面を少なくとも１面含む２面以上の反射面で反射することで、折り畳みの効果により光学系を小型化することができる。光学パワーを有する反射面は、レンズ作用と偏向作用を持つので、小型化の効果が大きい。
【０００９】
光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した反射面を使用した光学系では、光学パワーを有し偏心した反射面に対して光線が斜めに入射するために、軸上光線でも偏心によるコマ収差、非点収差等が発生する。この反射面を回転非対称面とすることで、この偏心収差を補正することができる。
【００１０】
また、一般に、走査光学系において光偏向手段によって偏向された光を偏心した反射面に入射させる場合、直線走査性が確保できないという問題が生ずるが、結像光学系の反射面を回転非対称な反射面とすることで直線走査性を確保することができる。
【００１１】
また、回転非対称面を使うことで、結像光学系を２次元ｆアークサインθレンズや２次元ｆθレンズにし、被走査面を等速走査するのが容易になる。
【００１２】
回転多面鏡（ポリゴンミラー）等のように偏向角がリニアに変化する光偏向手段を使う場合は、結像光学系でマイナスのディストーションを発生させ結像光学系をｆθレンズとすることで、被走査面を等速走査することができる。また、ガルバノミラーのように偏向角が正弦波状に変化する偏向手段を使う場合は、偏向角の大きさに応じたディストーション（偏向角が小さい場合はプラスのディストーション、偏向角が大きい場合はマイナスのディストーション）を結像光学系で発生させ結像光学系をｆアークサインθレンズとすることで、被走査面を等速走査することができる。
【００１３】
この場合、結像光学系の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面は、各画角の光線位置が大きく異なり光束径も小さいので、ディストーションの補正に有効である。この面を透過作用と反射作用、透過作用と透過作用のように複数の光学作用の兼用面にしようとすると、兼用面にするための制約条件によりディストーションの補正作用が劣化するので、透過作用のみの単独作用面とすることでディストーションの補正を有効に行うことができる。また、画角の確保も容易になる。
【００１４】
本発明の第２の走査光学系は、第１の走査光学系において、前記光学部材がプリズム部材として構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００１６】
この走査光学系の作用効果を説明する。一般に、反射面は屈折面より偏心誤差を厳しく制御しなければならないので、組み立て調整作業が大変になる。しかし、光学部材の反射面をプリズム部材の１面として構成すれば、この問題が解決できる。
【００１７】
また、偏向手段からプリズム部材に入射する光線が、プリズム部材の入射面で屈折されるので、以降の面への軸外光線の入射光線高を低く設定することができる。そのため、光学系を小型にできると共に、より大きな画角を実現することができる。また、軸外光線の従属光線高も低くなるので、コマ収差等の発生を抑制することもできる。
【００１８】
本発明の第３の走査光学系は、第１の走査光学系において、前記光学部材が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とするものである。
【００１９】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００２０】
この走査光学系の作用効果を説明する。透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、結像光学系を構成する面数を削減し、結像光学系を単純で小型なものにすることができる。この場合、反射作用を全反射作用とすれば、なお好ましい。兼用面における反射を全反射ではなく反射膜での反射により行おうとすると、反射面用の反射膜を透過面用の透過領域と離れた別の位置に形成する必要がある。このため、光学系が大型化する、発生収差が増える等の問題が生ずる。また、反射膜を作製する必要があるので、コストがアップする。
【００２１】
本発明の第４の走査光学系は、第２の走査光学系において、前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を１面含む３面構成であることを特徴とするものである。
【００２２】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００２３】
この走査光学系の作用効果を説明する。第２の走査光学系のプリズム部材を使用する場合、少なくとも、プリズム部材への入射面、２面の反射面、プリズム部材からの射出面が必要となる。兼用面、透過面、反射面からなる３面という最小の面数でプリズム部材を構成できるので、プリズム部材を単純で小型なものにすることができる。
【００２４】
本発明の第５の走査光学系は、光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記集光光学系から射出して前記光偏向手段に入射する前記集光光学系の最後の面と、前記光偏向手段から前記結像光学系に入射する前記結像光学系の最初の面が同一面であることを特徴とするものである。
【００２５】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００２６】
この走査光学系の作用効果を説明する。光源から被走査面に向かう順光線追跡において、光偏向手段の前後の面である「集光光学系を構成する最後の面」と「結像光学系の最初の面」を別々の面とする場合、この２面の位置を離す必要があるので、光偏向手段と光偏向手段の前後の面を離すか、光偏向手段に対する光線入射角を大きくする必要がある。
【００２７】
しかし、光偏向手段と光偏向手段の前後の面を離すと光学系が大型化する。また、光偏向手段に対する光線入射角を大きくすると光偏向手段の面積が大きくなるので、大きな偏向角や高い偏向周波数（走査周波数）を確保するのが難しくなる。これは、特に、特開平１０−２０２２６号で開示されているようなマイクロマシン技術を利用して製作したマイクロマシンスキャナのように単一の反射面で構成される光偏向手段の場合に大きな問題点となる。
【００２８】
光偏向手段の前後の面を同一面とすれば、光偏向手段に対する光線入射角を小さくすることができる。その結果、光偏向手段の面積を小さくすることができるので、光偏向手段の偏向角を大きくしたり偏向周波数（走査周波数）を高周波にすることができる。
【００２９】
本発明の第６の走査光学系は、第５の走査光学系において、前記光偏向手段の前後の光学作用面が透過面であることを特徴とするものである。
【００３０】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００３１】
この走査光学系の作用効果を説明する。光源から被走査面に向かう順光線追跡において、光偏向手段の前後の光学作用面を反射面とすると、集光光学系を構成する最後の面（反射面１）と結像光学系を構成する最初の面（反射面２）の両方が反射面になるので、反射面１への入射光と反射型光偏向手段の干渉、反射面２での反射光と反射型光偏向手段の干渉を防ぐために、反射型光偏向手段への光線入射角を大きくするか、反射型光偏向手段の前後の面（反射面１＝反射面２）と光偏向手段の距離を大きくするか、光偏向手段に対する入射面と主走査面が角度をなす（平行でない）ようにする必要が生ずる。しかし、それぞれの方法では、光偏向手段の面積が大きくなる、光学系の大きさが大きくなる、偏心収差の補正が困難になる等の問題が生ずる。
【００３２】
光偏向手段の前後の光学作用面を透過面とすれば、このような問題点を解消することができる。
【００３３】
本発明の第７の走査光学系は、第５の走査光学系において、前記結像光学系が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とするものである。
【００３４】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００３５】
この走査光学系の作用効果を説明する。透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、結像光学系を構成する面数を削減し、結像光学系を単純で小型なものにすることができる。この場合、反射作用を全反射作用とすれば、なお好ましい。兼用面における反射を全反射ではなく反射膜での反射により行おうとすると、反射面用の反射膜を透過面用の透過領域と離れた別の位置に形成する必要がある。このため、光学系が大型化する、発生収差が増える等の問題が生ずる。また、反射膜を作製する必要があるので、コストがアップする。
【００３６】
本発明の第８の走査光学系は、光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記走査光学系がプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含むことを特徴とするものである。
【００３７】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００３８】
この走査光学系の作用効果を説明する。集光光学系の一部と結像光学系の一部を一つの光学素子で構成できるので、走査光学系を構成する部品点数を削減することができる。その結果、所望の性能を得るための組み立て時の位置調整作業が楽になるし、低コスト化することができる。
【００３９】
本発明の第９の走査光学系は、第８の走査光学系において、前記集光光学系と前記結像光学系が一つのプリズム部材で構成されていることを特徴とするものである。
【００４０】
この走査光学系は、後記の実施例１〜３、６が対応する。
【００４１】
この走査光学系の作用効果を説明すると、第８の走査光学系の効果がより大きくなる。
【００４２】
本発明の第１０の走査光学系は、光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる第１、５又は８の走査光学系において、前記集光光学系と前記結像光学系との合計で３回以上反射することを特徴とするものである。
【００４３】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００４４】
この走査光学系の作用効果を説明する。合計３回以上反射させることで折りたたみの効果が大きくなり、走査光学系全体の小型化の効果をより大きくすることができる。
【００４５】
本発明の第１１の走査光学系は、第８の走査光学系において、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を持つことを特徴とするものである。
【００４６】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００４７】
この走査光学系の作用効果を説明する。透過と反射という２つの作用を同一面で行うので、走査光学系を構成する面数を削減し、光学系を単純で小型なものにすることができる。この場合、反射作用を全反射作用とすれば、なお好ましい。兼用面における反射を全反射ではなく反射膜での反射により行おうとすると、反射面用の反射膜を透過面用の透過領域と離れた別の位置に形成する必要がある。このため、光学系が大型化する、発生収差が増える等の問題が生ずる。また、反射膜を作製する必要があるので、コストがアップする。
【００４８】
本発明の第１２の走査光学系は、第１１の走査光学系において、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が２回の透過作用と１回の反射作用の３つの光学作用を行う兼用面を持つことを特徴とするものである。
【００４９】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００５０】
この走査光学系の作用効果を説明すると、第１１の走査光学系の効果が更に大きくなる。また、プリズム部材の光偏向手段に面した面をこの兼用面とすると、第５の走査光学系の作用効果を得ることができる。
【００５１】
本発明の第１３の走査光学系は、第８の走査光学系において、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材において、
前記プリズム部材に含まれる前記集光光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの射出面の３面を含み、
前記プリズム部材に含まれる前記結像光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への再入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの再射出面の３面を含むことを特徴とするものである。
【００５２】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００５３】
この走査光学系の作用効果を説明する。光学パワーを有する反射面は、レンズ作用と偏向作用を持つので、光学系を小型化する効果が大きい。本走査光学系の場合、集光光学系、結像光学系の両方を小型化できるので、走査光学系全体を小型化できる。
【００５４】
しかし、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した反射面を使用した光学系では、偏心した反射面に対して光線が斜めに入射するために、軸上光線でも偏心によるコマ収差、非点収差等が発生する。この反射面を回転非対称面とすることで、この偏心収差を補正することができる。
【００５５】
また、一般に、走査光学系において光偏向手段によって偏向された光を偏心した反射面に入射させる場合、直線走査性が確保できないという問題が生ずるが、結像光学系の反射面を非回転対称な反射面とすることで直線走査性を確保することができる。また、回転非対称面を使うことで、結像光学系を２次元ｆアークサインθレンズや２次元ｆθレンズにし、走査光学系で被走査面を等速走査をすることができる。
【００５６】
また、プリズム部材に含まれる集光光学系の部分に非回転対称な反射面を使用することで、ＬＤのように楕円状の断面形状を持つ光源に対するビーム整形作用を持たせたり、面倒れ補正機能を持たせることができる。
【００５７】
一般に、反射面は屈折面より偏心誤差を厳しく制御しなければならないので、組み立て調整作業が大変になる。しかし、反射面をプリズム部材の１面として構成すれば、この反射面の調整作業が削減できる。
【００５８】
また、偏向手段からプリズム部材の結像光学系の部分に入射する光線がプリズム部材の入射面で屈折されるので、以降の面への軸外光線の入射光線高を低く設定することができる。そのため、光学系を小型にできると共に、より大きな画角を実現することができる。また、軸外光線の従属光線高も低くなるので、コマ収差等の発生を抑制することもできる。
【００５９】
本発明の第１４の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つことを特徴とするものである。
【００６０】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００６１】
この走査光学系の作用効果を説明すると、形状に関する対称面を持つことにより製作性を向上させることができる。
【００６２】
本発明の第１５の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記集光光学系が形状に関する対称面を１つだけ持つ非回転対称面を含むことを特徴とするものである。
【００６３】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００６４】
この走査光学系の作用効果を説明すると、回転非対称な面の作用効果は第１３の走査光学系と同じである。形状に関する対称面を１つ持つことによる作用効果は、第１４の走査光学系と同じである。以上の作用効果を集光光学系が持つ。
【００６５】
本発明の第１６の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つ自由曲面であることを特徴とするものである。
【００６６】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【００６７】
この走査光学系の作用効果を説明する。本発明で使用する自由曲面とは、例えば以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００６８】
【００６９】
球面項中、
ｃ：頂点の曲率
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００７０】
自由曲面項は、
【００７１】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００７２】
また、Ｙの奇数項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００７３】
上記対称面の何れか一方を対称面としその対称面方向に偏心させることで、偏心により発生する非回転対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性も向上させることができる。
【００７４】
なお、自由曲面の定義式は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式等他の定義式としてもよい。
【００７５】
本発明の第１７の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記光偏向手段が、１個の光偏向手段で２次元偏向する２次元光偏向手段であることを特徴とするものである。
【００７６】
この走査光学系は、後記の実施例１〜５が対応する。
【００７７】
この走査光学系の作用効果を説明する。光偏向手段の面積を小さくするには、結像光学系の入射瞳付近に偏向手段を配置する必要がある。２つの１次元光偏向手段を使って２次元走査を行う場合、光偏向手段の大きさを小さくするには、２つの１次元光偏向手段を共役にするか２つの１次元光偏向手段の間隔を小さくする必要があり、光学系が複雑・大型化する、光学系のレイアウトに関する制約条件が増える等の問題点が生ずる。１つの光偏向手段で２次元偏向すれば、光学系のレイアウトがしやすく、光学系を小型で単純なものにすることができる。
【００７８】
本発明の第１８の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記光偏向手段による偏向角が正弦波状に変化することを特徴とするものである。
【００７９】
この走査光学系は、後記の実施例１、２、４〜６が対応する（電気的像歪み補正を行えば実施例３も対応する。）。
【００８０】
この走査光学系の作用効果を説明する。例えば、特開平１０−２０２２６号で開示されているようなマイクロマシン技術を利用して製作したマイクロマシンスキャナは反射ミラーを１面だけ持ち、高速走査をする場合、この反射ミラーは正弦波状に振動し光を反射偏向する。このような光偏向手段を使えば、光偏向手段を小型、低コスト、低消費電力にし、高速走査をすることができる。このとき、走査光学系の結像光学系をｆアークサインθレンズにしてやれば、被走査面を等速走査することができる。
【００８１】
本発明の第１９の走査光学系は、第１８の走査光学系において、前記の偏向角が正弦波状に変化する光偏向手段において、光偏向角の振幅の９５％以下を走査に利用することを特徴とするものである。
【００８２】
この走査光学系は、後記の実施例１、２、４〜６が対応する（電気的像歪み補正を行えば実施例３も対応する。）。
【００８３】
この走査光学系の作用効果を説明する。以下、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等の反射型偏向器の場合で説明する。図９（ａ）に示すように、反射型偏向器（反射型偏向手段）の反射面の基準反射面からの振れ角φが、正弦波状に変化する偏向手段を使う場合、電気的な像歪み補正なしに等速走査するには、結像光学系をｆアークサインθレンズにする必要がある。
【００８４】
反射面の振れ角が振幅φ0 ／ｋで正弦波状に変化する偏向手段において、振れ角の振幅のｋ倍の振れ角（±φ0 ）を利用して被走査面を走査するとする。このとき、結像光学系をｆアークサインθレンズにするためには、次式を満たす必要がある（０＜ｋ≦１）。
【００８５】
像高ｙ＝ｆ・２（φ0 ／ｋ）arcsin｛φ／（φ0 ／ｋ）｝
偏向が±２０°程度の場合、偏向角の全部に対して結像光学系をｆアークサインθレンズにするためには、非常に大きなプラスのディストーションを発生させる必要があり結像光学系の設計が困難である。そこで、φ／（φ0 ／ｋ）の線形性が良い領域のみを利用すると、結像光学系をｆアークサインθレンズにするのが容易になる。
【００８６】
ｋを０．９５以下にすると、φ／（φ0 ／ｋ）の線形性がｋ＝１の場合と直線の中間程度以下となり、結像光学系をｆアークサインθレンズにするのが容易になる。その結果、光学系を単純で小型なものにすることができる。
【００８７】
また、通常のディスプレイでも１７％程度のブランキング期間があるように、走査光学系においても電気的な処理の関係から偏向角の全部は使用できない。この場合、偏向手段の偏向角の振幅の９５％程度が上限となる。
【００８８】
図９（ｂ）に示すように、音響光学偏向器ＡＯＤのような透過型の光偏向手段の場合は、以上の説明において２φを偏向角とみなしてやればよい。
【００８９】
本発明の第２０の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、電気的な等速走査性の補正を行うことを特徴とするものである。
【００９０】
この走査光学系は、何れの実施例実施例に適用してもよい。
【００９１】
この走査光学系の作用効果を説明する。特に、２次元走査を行う場合、光偏向手段の偏向特性に合わせて結像光学系のディストーションを制御することで、２次元的な直線走査性・等速走査性を確保しようとすると光学系が複雑・大型化する。一方、高速な２次元走査をする場合、直線走査性の電気的な像歪み補正は２次元的な補正になるので、補正をリアルタイムに行うことは困難になる。
【００９２】
そこで、直線走査性は結像光学系で確保し等速走査性は電気的な補正を行うことで確保するようにすると、光学系を単純で小型なものにすることができるし、電気的な像歪み補正は主走査方向の１本の走査線に対する補正になるので高速走査にも対応できる。
【００９３】
この場合、正弦波状に変化する偏向角の振幅の全てを利用しようとすると、走査速度の速い像の中心付近と走査速度の遅い像の周辺付近の走査速度の差が大きくなりすぎる。その結果、電気的像歪み補正を行う場合でも、精度良く補正を行うことができなくなる。偏向角振幅の８５％程度を使用すると、等速走査性の補正が２段階程度でよくなるので好ましい。
【００９４】
本発明の第２１の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記光偏向手段による偏向角がリニアに変化することを特徴とするものである。
【００９５】
この走査光学系は、後記の実施例３が対応する（電気的像歪み補正を行えば実施例１、２、４〜６も対応する。）。
【００９６】
この走査光学系の作用効果を説明する。回転多面鏡（ポリゴンミラー）は等速回転しているので、光偏向角はリニアに変化する。光偏向手段として回転多面鏡（ポリゴンミラー）を使えば、光偏向手段で大きな偏向角を確保でき、走査光学系の画角を大きくすることができる。このとき、走査光学系の結像光学系をｆθレンズにすれば、被走査面を等速走査することができる。
【００９７】
本発明の第２２の走査光学系は、第１、５又は８の走査光学系において、前記結像光学系が、形状に関する対称面を１つだけ持ち、その形状に関する対称面内方向のみで偏心しており、前記走査光学系が、次式を満足することを特徴とするものである。
【００９８】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＜１ ・・・（１）
ここで、被走査面側の対称面内方向における結像光学系の半画角をθ2 、対称面と直交面方向における結像光学系の半画角をθ1 、対称面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ2 、対称面と直交面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ1 とする。
【００９９】
ポリゴンミラー、ガルバノミラーのような反射型偏向手段の場合、走査に必要な反射ミラーの片側振れ角がφ1 、φ2 であることに相当する。ここで言う反射ミラー面の片側振れ角は、被走査面の中心に対応する反射ミラー面からの最大ずれ角である。この場合、必ずしも光偏向手段の反射ミラーが±φ振れるというわけではない。反射ミラーの振幅の一部を利用して被走査面の走査を行う場合は、走査に利用するのが±φということである。また、音響光学偏向器ＡＯＤのような透過型の光偏向手段の場合は、片側偏向角が２φ1 、２φ2 に相当する（図９）。 この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【０１００】
この走査光学系の作用効果を説明する。ポリゴンミラー、ガルバノミラーのような反射型の光偏向手段を使用した場合で説明する（図９（ａ））。反射型光偏向手段の片側振れ角がφ（偏向角が２φ）のとき、結像光学系の走査半画角がθとする。このとき、順追跡における、結像光学系の瞳倍率＝２φ／θである。
【０１０１】
結像光学系が形状に関する対称面を１面だけ持ち、その対称面内のみで偏心していると、結像光学系の製作性が向上し、コストも下がるので好ましい。この場合、形状に関する対称面と垂直方向は広画角を確保しやすいので、この方向を１次元走査光学系の走査方向あるいは２次元走査光学系の走査画角の大きい方向にするとよい。このとき、結像光学系を偏心させている面内方向は、偏心した面と面が干渉しないように光学系を構成する必要があるので、結像光学系を構成するのが難しくなる。
【０１０２】
そこで、結像光学系を偏心させている方向（結像光学系の形状に関する対称面内方向）の瞳倍率を対称面と垂直方向の瞳倍率より小さくし、結像光学系内での光束の広がり角を小さくした方が結像光学系を構成しやすくなる。
【０１０３】
すなわち、次式を満足することが望ましい。
【０１０４】
１＞対称面内の瞳倍率／対称面と直交面内の瞳倍率
＝（２φ2 ／θ2 ）／（２φ1 ／θ1 ）
＝φ2 θ1 ／φ1 θ2
結像光学系の形状に関する対称面方向を副走査方向、対称面と垂直方向を主走査方向とする場合、走査面での主走査方向と副走査方向の結像光学系の分解能を等しくするには、光偏向手段の副走査方向の寸法を主走査方向の寸法より大きくする必要が生ずる。２次元走査を行う場合に、高速走査が必要となるの主走査方向の寸法が小さいので、高速走査に対応しやすくなる。
【０１０５】
本発明の第２３の走査光学系は、第２２の走査光学系において、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。
【０１０６】
ＮＡ２／ＮＡ１＞１ ・・・（２）
ここで、形状に関する対称面内方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ２、形状に関する対称面と垂直方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ１とする。
【０１０７】
この走査光学系は、後記の実施例１〜６が対応する。
【０１０８】
この走査光学系の作用効果を説明する。結像光学系の形状に関する対称面方向を副走査方向、対称面と垂直方向を主走査方向とする場合、走査面での主走査方向と副走査方向での結像光学系の分解能を等しくするには、光偏向手段の副走査方向の寸法を主走査方向の寸法より大きくする必要が生ずる。
【０１０９】
光源を発した光が、走査手段において上記形状になるためには、条件式（２）を満足した方が集光光学系の構成が容易になる。
【０１１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の走査光学系の実施例１から実施例６について図面を参照して説明する。
【０１１１】
以下の説明では、Ｘ方向を主走査方向、Ｙ方向を副走査方向として説明する。
【０１１２】
各実施例の逆光線追跡での構成パラメータは後記するが、その各実施例の構成パラメータにおいては、図１に示すように、逆光線追跡で、軸上主光線１を、不図示の被走査面の中心を垂直に通り、光偏向手段１２を経て光源１１の中心に至る光線で定義する。
【０１１３】
そして、逆光線追跡において、無偏心状態に戻した第１面４Ｔ（実際にはＹ方向に偏心している。）を偏心光学系の原点とし、軸上主光線１に沿う方向をＺ軸方向とし、被走査面から光学系１０の第１面４Ｔに向かう方向をＺ軸正方向とし、このＺ軸と被走査面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面（図１の面）とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏方向に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。図１には、この座標系を図示してある。その他の実施例を示す図４〜図８については、この座標系の図示は省く。
【０１１４】
偏心面については、上記座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、前記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
【０１１５】
実施例１〜６では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【０１１６】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面（仮想面を含む。）とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合に、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【０１１７】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は前記（ａ）式により定義し、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【０１１８】
また、ＤＯＥ（回折光学素子）については、設計法としてSweatt法（超高屈折率法）を使用し（W.C.Sweatt,"Mathematical equivalence between a holographic optical element and an ultra-high index lens",J.Opt.Soc.Am,Vol.69,No.3(1979) ）、基準波長＝５８７．５６ｎｍ（ｄ線）とし、その基準波長における超高屈折率レンズの屈折率＝１００１、アッベ数＝−３．４５とした。
【０１１９】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍ、角度の単位は°である。
【０１２０】
また、自由曲面の他の定義式として、以下の（ｂ）式で与えられるＺｅｒｎｉｋｅ多項式がある。この面の形状は以下の式により定義する。その定義式のＺ軸がＺｅｒｎｉｋｅ多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、Ｘ−Ｙ面に対するＺの軸の高さの極座標で定義され、ＡはＸ−Ｙ面内のＺ軸からの距離、ＲはＺ軸回りの方位角で、Ｚ軸から測った回転角で表せられる。
【０１２１】
【０１２２】
その他の面の例として、次の定義式（ｃ）があげられる。
【０１２３】
Ｚ＝ΣΣＣnmＸＹ
例として、ｋ＝７（７次項）を考えると、展開したとき、以下の式で表せる。
【０１２４】
【０１２５】
（実施例１）
この実施例の走査光学系の光軸を含むＹ−Ｚ平面図（副走査方向面内における断面図）を図１に示す。この走査光学系の水平画角５４°、垂直画角４２°であり、光偏向手段の大きさはφ１ｍｍである。
【０１２６】
この走査光学系１０の構成は、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１２７】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１２８】
光源１１として、ＬＥＤ、ＬＤ等が使用できる。複数の単色光源を利用してカラー表示する場合は、例えば、図２に示すようにすればよい。図２において、短波長光、例えば５００ｎｍ以下の波長の光を反射させるダイクロイックミラー２４を直角プリズムからなる光源プリズム２１と光源プリズム２２の接合面にコーティングし、長波長光、例えば６００ｎｍ以上の光を反射させるダイクロイックミラー２５を直角プリズムからなる光源プリズム２２と光源プリズム２３の接合面にコーティングしている。そして、Ｂ光源１１B 、Ｒ光源１１R 、Ｇ光源１１G を、それぞれ光源プリズム２１、光源プリズム２２、光源プリズム２３のそれぞれの波長において被走査面の像点と共役な位置に接着し、走査光学系の色収差の影響を除去している。
【０１２９】
この構成により、ＲＧＢ光を走査光学系１０に導き、カラー表示を行うことができる。このとき、図示しないＲＧＢ用強度変調装置により、映像信号に基づき各画素ごとにＲＧＢ光のそれぞれを輝度変調する。
【０１３０】
走査手段（２次元スキャナ）１２としていくつかのものを使用することができるが、特開平１０−２０２２６号で開示されているようなマイクロマシン技術を利用して製作したマイクロマシンスキャナは、小型、低消費電力等の利点を持つので、小型光学系用としては最適である。
【０１３１】
この場合、電磁駆動方式、静電駆動方式、圧電素子駆動方式等、各種駆動方式のマイクロマシンスキャナが使用できる。２次元マイクロマシンスキャナの１例の平面図を図３に示す。この例では、ミラー部３４をＹ軸方向に延びるトーションバー３３で中間枠３２に連結し、その中間枠３２をＸ軸方向に延びるトーションバー３１で外枠３０に連結して、トーションバー３３の回りでの揺動により水平走査（Ｘ方向走査）、トーションバー３１の回りでの揺動により垂直走査（Ｙ方向走査）するようにしている。
【０１３２】
一般に、反射面を複数面持つ回転多面鏡（ポリゴンミラー）をスキャナとして使用する場合は、光学系が面倒れ補正機能を持つ必要がある。しかし、図３に示すようなマイクロマシンスキャナは反射面を１面３４しか持たないし、問題となる面倒れはスキャナの構造上発生しないので、光学系が面倒れ補正機能を持つ必要がなく光学系の構成を単純にできる。
【０１３３】
この場合、反射面の基準面に対する軸上主光線の入射角θs が、次式を満足することが好ましい。
【０１３４】
θs ≦４５°
この条件の上限の４５°を越えると、同じ光束を反射偏向する場合でも、反射面の面積が大きくなるので、大偏向角や高走査周波数を確保するのが難しくなる。本実施例では、θｓ＝２０°である。
【０１３５】
なお、正弦波状に往復振動するスキャナの振れ角の往路だけの片側走査でも、往路と復路両方の往復走査でもどちらでもよいが、往復走査を行うと走査手段の走査周波数を半分にできるので高速走査に対応しやすい。
【０１３６】
この実施例の走査光学系１０の利点について説明する。プリズム部材１０の１個で集光光学系と結像光学系を構成しているので、先行例に比べ大幅に部品点数を削減し、光学系が小型化、低コスト化できる。また、部品点数が少ないので位置調整作業が削減でき、製作時に性能を確保するのも容易になる。
【０１３７】
また、集光光学系で１回反射、結像光学系で２回反射、スキャナで１回反射の計４回反射しているので、折り畳みの効果により光学系を小型化できている。また、走査光学系１０の主たるパワーを反射面が持つので、色収差の発生が少なく、ＬＤを光源とした場合でもＬＤの波長変動による走査光学系１０の光学性能の変化が少ない。また、凸パワー作用を持つ第２反射面２Ｒと凹パワー作用を持つ第３反射面（全反射面）３Ｒの組み合わせにより、走査画角全域における像面湾曲を補正している。
【０１３８】
また、反射作用と透過作用を兼ねる兼用面２Ｔ（３Ｔ，３Ｒ）があるので、光学系を構成する面数が削減でき、集光光学系と結像光学系を小型化できている。この面を偏向手段１２に対して凹面形状にした方が、反射作用を全反射作用にしやすい。
【０１３９】
また、直線走査性、等速走査性に関して、一般に、反射型走査光学系では直線走査性の確保が問題となる。本実施例では、反射面が偏心収差を補正する回転非対称な形状なので、２次元的な直線走査性を確保している。
【０１４０】
２次元走査に必要なスキャンミラー１２の振れ角は、φｘ＝±７．９５°、φｙ＝±３．２０°であり、この場合、正弦波状に振動するスキャンミラーの６５％程度に対して結像光学系がｆアークサインθレンズ特性を持つので、２次元的な直線走査、等速走査を行うことができる（Ｘ方向のスキャンミラー振れ角φｘ＝±１２．２°の振幅の６５％が、Ｘ方向の走査に必要なミラー振れ角φｘ＝±７．９５°。Ｙ方向のスキャンミラー振れ角φｙ＝±４．９３°の振幅の６５％が、Ｙ方向の走査に必要なミラー振れ角φｙ＝±３．２０°。）。
【０１４１】
スキャンミラー１２の振れ角が本実施例程度の場合、結像光学系をｆアークサインθレンズにするには、結像光学系でプラスのディストーションを発生させる必要がある。本実施例のように、結像光学系の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面４Ｔを透過作用のみの単独作用面とすることでディストーションの補正を有効に行うことができる。また、画角の確保も容易になる。
【０１４２】
なお、結像光学系により形成される非等速走査像を等速走査像に変換する電気的な像歪み補正（等速走査性の補正）を行えば、正弦波状に振動するスキャンミラー１２の振幅全部を利用することもできるし、スキャンミラー振れ角がリニアに変化するスキャナを利用することもできる。
【０１４３】
また、集光光学系にビーム整形機能を持たせている。偏向手段１２をφ１ｍｍとする場合、集光光学系の光源側ＮＡは、Ｘ方向が０．１６、Ｙ方向が０．１９である。
【０１４４】
次に、この実施例の変形について述べると、ここでは、点状光源１１を２次元スキャンすることで２次元像を形成しているが、線状のアレー光源を１次元スキャンするようにしてもよい。
【０１４５】
また、ここではスキャナのＸ方向の寸法＝Ｙ方向の寸法として設計を行っているが、被走査面側でのＸ方向の分解能とＹ方向の分解能を等しくする等のためにスキャナ１２のＸ方向の寸法≠Ｙ方向の寸法としてもよい。
【０１４６】
（実施例２）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図４に示す。この走査光学系の水平画角５４°、垂直画角４２°である。
【０１４７】
この走査光学系１０の構成は、実施例１と同様であり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１４８】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１４９】
この実施例は、実施例１よりｆアークサインθレンズ特性を向上させたタイプである。正弦波状に振動するスキャンミラー１２に対して、Ｘ方向、Ｙ方向共スキャンミラー振れ角振幅の約７０％に対してｆアークサインθレンズ特性を持つ。
【０１５０】
なお、ディストーションをコントロールしやすい位置であるプリズム１０と被走査面の間等にレンズを追加すれば、ｆアークサインθレンズ特性を更に向上させることができる。
【０１５１】
（実施例３）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図５に示す。この走査光学系の水平画角５４°、垂直画角４２°であり、光偏向手段の大きさはφ１ｍｍである。
【０１５２】
この走査光学系１０の構成は、実施例１、２と同様であり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１５３】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１５４】
この実施例は、回転多面鏡（ポリゴン）のように偏向角がリニアに変化する偏向手段１２を使った場合、被走査面で等速走査ができるように結像光学系をｆθレンズ（Ｘ方向の主走査方向、Ｙ方向の副走査方向に関する２次元ｆθレンズ）にしたものである。
【０１５５】
（実施例４）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図６に示す。この走査光学系の水平画角４７°、垂直画角３６°であり、光偏向手段の大きさはφ１．１ｍｍである。
【０１５６】
この走査光学系１０の構成は、実施例１〜３の配置において、プリズム１０とスキャナ１２の間にＤＯＥ（回折光学素子）１３を配置してなるものであり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１５７】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔ、スキャナ１２側の面に回折面１４を設けたＤＯＥ１３で構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、スキャナ１２側の面に回折面１４を設けたＤＯＥ１３、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１５８】
この実施例は、プリズム１０とスキャナ１２の間にＤＯＥ１３を配置し、走査光学系の色収差を補正したものであり、光源１１から被走査面に向かう順光線追跡で、集光光学系から射出してスキャナ１２へ向かう際とスキャナ１２から結像光学系に入射する際の両方で、ＤＯＥ１３の作用を受けるようにしている。
【０１５９】
なお、２次元スキャナ１２としてマイクロマシンスキャナを使用する場合、ＤＯＥ１３を形成した基板をスキャナ１２の保護部材や密閉部材として使用する等、スキャナ１２と一体化してもよい。
【０１６０】
（実施例５）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図７に示す。この走査光学系１０の構成は、実施例１〜３の配置において、光源１１とプリズム１０の間にＤＯＥ１３を配置してなるものであり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた２次元走査（ラスタスキャン）を行うことで、結像光学系の前方の１ｍの位置の被走査面に結像し被走査面を２次元走査するものである。
【０１６１】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、プリズム１０側の面に回折面１４を設けたＤＯＥ１３、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、２次元スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を２次元走査する。
【０１６２】
この実施例は、光源１１とプリズム１０の間にＤＯＥ１３を配置し、走査光学系の色収差を補正したものである。
【０１６３】
（実施例６）
この実施例の走査光学系の図１と同様の図を図８に示す。この走査光学系は水平画角８２°、スキャナの大きさはφ２．６ｍｍの１次元走査光学系である。
【０１６４】
この走査光学系１０の構成は、実施例１と略同様であり、図示しない光源輝度変調手段により、映像信号に応じて光源１１を輝度変調し、映像信号に応じた水平方向（Ｘ方向）に１次元走査を行うことで、無偏心状態に戻した第１面４Ｔから前方の１０ｍｍの位置の被走査面に結像し被走査面を１次元走査するものである。
【０１６５】
この走査光学系１０の光路は、光源１１から図示しない像面（被走査面）に到る順光線追跡で、第１透過面１Ｔ、第１反射面１Ｒ、第２透過面２Ｔで構成される集光光学系により光源光が略平行にされる。略平行光にされた光源光は、１次スキャナ１２で反射偏向される。反射偏向された光は、第３透過面３Ｔ、第２反射面２Ｒ、第３反射面（全反射）３Ｒ、第４透過面４Ｔで構成される結像光学系により被走査面に結像し被走査面を１次元走査する。
【０１６６】
この実施例は、主走査方向（Ｘ方向）は、正弦波状に振れ角が変化するスキャナ１２の振れ角振幅の９５％に対してｆアークサインθレンズ特性を持つ。
【０１６７】
以下に上記実施例１〜６の構成パラメータ（レンズデータ）を示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＳ”は反射面、“ＤＯＥ”は回折面を示す。なお、スキャナは絞り面に、光源は像面に配置される。
【０１６８】
上記各実施例における条件式（１）、（２）関係の値は以下の通りである。なお、主光線に対する上側マージナル光線と下側マージナル光線が非対称な場合は、両者の平均によりＮＡｙ（ＮＡ２）を求めた。
以上の実施例では、前記定義式（ａ）の自由曲面により光学系を構成したが、他の定義の曲面でも光学系を構成できることはいうまでもない。
【０１７６】
以上、本発明の走査光学系を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず数々の変形が可能である。
【０１７７】
以上の本発明の走査光学系は例えば次のように構成することができる。
【０１７８】
〔１〕 光源からの光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記結像光学系が光学部材を含み、前記光学部材の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面が透過作用の単独作用面で、
前記光学部材が光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面を少なくとも１面含む２面以上の反射面を含むことを特徴とする走査光学系。
【０１７９】
〔２〕 前記光学部材がプリズム部材として構成されていることを特徴とする上記１記載の走査光学系。
【０１８０】
〔３〕 前記光学部材が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とする上記１記載の走査光学系。
【０１８１】
〔４〕 前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を１面含む３面構成であることを特徴とする上記２記載の走査光学系。
【０１８２】
〔５〕 光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記集光光学系から射出して前記光偏向手段に入射する前記集光光学系の最後の面と、前記光偏向手段から前記結像光学系に入射する前記結像光学系の最初の面が同一面であることを特徴とする走査光学系。
【０１８３】
〔６〕 前記光偏向手段の前後の光学作用面が透過面であることを特徴とする上記５記載の走査光学系。
【０１８４】
〔７〕 前記結像光学系が透過と反射の兼用面を少なくとも１面含むことを特徴とする上記５記載の走査光学系。
【０１８５】
〔８〕 光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記走査光学系がプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含むことを特徴とする走査光学系。
【０１８６】
〔９〕 前記集光光学系と前記結像光学系が一つのプリズム部材で構成されていることを特徴とする上記８記載の走査光学系。
【０１８７】
〔１０〕光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記集光光学系と前記結像光学系との合計で３回以上反射することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１８８】
〔１１〕 少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が透過と反射の兼用面を持つことを特徴とする上記８記載の走査光学系。
【０１８９】
〔１２〕 少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材が２回の透過作用と１回の反射作用の３つの光学作用を行う兼用面を持つことを特徴とする上記１１記載の走査光学系。
【０１９０】
〔１３〕 少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含む前記プリズム部材において、
前記プリズム部材に含まれる前記集光光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの射出面の３面を含み、
前記プリズム部材に含まれる前記結像光学系の部分が、少なくとも、前記プリズム部材への再入射面、光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面な反射面、プリズム部材からの再射出面の３面を含むことを特徴とする上記８記載の走査光学系。
【０１９１】
〔１４〕 前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つことを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９２】
〔１５〕 前記集光光学系が形状に関する対称面を１つだけ持つ非回転対称面を含むことを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９３】
〔１６〕 前記結像光学系の非回転対称面が形状に関する対称面を１つだけ持つ自由曲面であることを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９４】
〔１７〕 前記光偏向手段が、１個の光偏向手段で２次元偏向する２次元光偏向手段であることを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９５】
〔１８〕 前記光偏向手段による偏向角が正弦波状に変化することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９６】
〔１９〕 前記の偏向角が正弦波状に変化する光偏向手段において、光偏向角の振幅の９５％以下を走査に利用することを特徴とする上記１８記載の走査光学系。
【０１９７】
〔２０〕 電気的な等速走査性の補正を行うことを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９８】
〔２１〕 前記光偏向手段による偏向角がリニアに変化することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０１９９】
〔２２〕 前記結像光学系が、形状に関する対称面を１つだけ持ち、その形状に関する対称面内方向のみで偏心しており、前記走査光学系が、次式を満足することを特徴とする上記１、５又は８記載の走査光学系。
【０２００】
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＜１ ・・・（１）
ここで、被走査面側の対称面内方向における結像光学系の半画角をθ2 、対称面と直交面方向における結像光学系の半画角をθ1 、対称面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ2 、対称面と直交面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ1 とする。
【０２０１】
〔２３〕 以下の条件式を満足することを特徴とする上記２２記載の走査光学系。
【０２０２】
ＮＡ２／ＮＡ１＞１ ・・・（２）
ここで、形状に関する対称面内方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ２、形状に関する対称面と垂直方向における光源から集光光学系への入射する光束の開口数をＮＡ１とする。
【０２０３】
【発明の効果】
本発明は、走査光学系を反射作用を含むプリズム部材を中心に構成することにより、走査光学系の部品点数を削減し、光学系を小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の走査光学系の光路図である。
【図２】複数の単色光源を利用してカラー表示する場合の光源の構成例を示す図である。
【図３】２次元マイクロマシンスキャナの１例の平面図である。
【図４】本発明の実施例２の走査光学系の光路図である。
【図５】本発明の実施例３の走査光学系の光路図である。
【図６】本発明の実施例４の走査光学系の光路図である。
【図７】本発明の実施例５の走査光学系の光路図である。
【図８】本発明の実施例６の走査光学系の光路図である。
【図９】反射型光偏向手段と透過型光偏向手段の基本形構成を示す図である。
【図１０】従来の１つの走査光学系の構成を示す図である。
【図１１】従来の別のもう１つの走査光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…軸上主光線
１Ｔ…第１透過面
１Ｒ…第１反射面
２Ｔ…第２透過面
２Ｒ…第２反射面
３Ｔ…第３透過面
３Ｒ…第３反射面（全反射）
４Ｔ…第４透過面
１０…走査光学系（プリズム）
１１…光源
１１B …Ｂ光源
１１R …Ｒ光源
１１G …Ｇ光源
１２…光偏向手段（スキャナ）
１３…ＤＯＥ（回折光学素子）
１４…回折面
２１、２２、２３…光源プリズム
２４、２５…ダイクロイックミラー
３０…外枠
３１…トーションバー
３２…中間枠
３３…トーションバー
３４…ミラー部
Claims (9)
- 光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記集光光学系から射出して前記光偏向手段に入射する前記集光光学系の最後の面と、前記光偏向手段から前記結像光学系に入射する前記結像光学系の最初の面が同一面であり、前記同一面が、前記集光光学系から前記光偏向手段に光を射出する際に透過面として作用し、前記光偏向手段から前記結像光学系に光が入射する際に透過面として作用し、前記結像光学系内を光が通過する際に反射面として作用することを特徴とする走査光学系。 - 光学作用面として、前記光源からの光を透過する第一の透過面と、前記第一の透過面を透過した光を反射する第一の反射面と、前記同一面と、前記光偏向手段から前記結像光学系に入射した光を反射する第二の反射面と、前記同一面で反射された光を透過する第二の透過面とからなるプリズムを備えることを特徴とする請求項１記載の走査光学系。
- 前記同一面と対向する位置に前記光偏向手段が配置され、
前記同一面が前記光偏向手段に対して凹形状となっていることを特徴とする請求項１又は２記載の走査光学系。 - 前記同一面に対向する位置に前記第二の反射面が位置し、
前記反射面は凸パワー作用を有し、
前記同一面は凹パワー作用を有することを特徴とする請求項２から３の何れか１項記載の走査光学系。 - 前記第二の透過面が、前記プリズムの最も前記被走査面側に位置していることを特徴とする請求項２から４の何れか１項記載の走査光学系。
- 前記同一面と前記第二の反射面は回転非対称な面形状であることを特徴とする請求項２から５の何れか１項に記載の走査光学系。
- 光源からの光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記結像光学系が光学部材を含み、前記光学部材の光学パワーを有する面の中最も被走査面側の面が透過作用の単独作用面で、
前記光学部材が光学パワーを有し軸上主光線に対して偏心した非回転対称面を少なくとも１面含む２面以上の反射面を含むことを特徴とする走査光学系。 - 光源と、前記光源からの光を略平行光にする集光光学系と、前記集光光学系からの射出光を偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、前記光偏向手段により偏向された光を被走査面に結像する結像光学系とからなる走査光学系において、
前記走査光学系がプリズム部材を含み、前記プリズム部材は、少なくとも前記集光光学系の一部、及び、少なくとも前記結像光学系の一部を含み、
前記プリズム部材は、兼用面を有し、前記兼用面は、前記集光光学系から前記光偏向手段に光を射出する際に透過面として作用し、前記光偏向手段から前記結像光学系に光が入射する際に透過面として作用し、前記結像光学系内を光が通過する際に反射面として作用することを特徴とする走査光学系。 - 前記結像光学系が、形状に関する対称面を１つだけ持ち、その形状に関する対称面内方向のみで偏心しており、前記走査光学系が、次式を満足することを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載の走査光学系。
φ2 θ1 ／φ1 θ2 ＜１ ・・・（１）
ここで、被走査面側の対称面内方向における結像光学系の半画角をθ2 、対称面と直交面方向における結像光学系の半画角をθ1 、対称面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ2 、対称面と直交面方向の被走査面の走査に必要な光偏向手段の片側偏向角を２φ1 とする。
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