JP5173295B2 - 光走査装置及び走査型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光束を被走査面上で走査する光走査装置に関し、さらに該光束走査によって被走査面上に画像を形成する走査型画像表示装置に関する。

光源からの変調光を走査デバイスで走査することにより被走査面上に画像を表示（形成）する光走査装置又は走査型画像表示装置や液晶プロジェクタ等の画像投射装置として、特許文献１〜４にて開示されているものがある。

特許文献１にて開示された装置は、コヒーレンス性を有する光を発する光源と、該光を走査する走査デバイスと、該走査デバイスからの光に中間像を形成させる第１の光学系と、該中間像からの光を被走査面上に結像させる第２の光学系とを有する。この装置では、中間像の位置又はこれに近接した位置に拡散角変換素子を配置し、該拡散角変換素子から射出した光束の広がり角を拡大している。拡散角変換素子としては、マイクロレンズアレイ等が用いられ、その回折作用によって発生した回折光を被走査面に集光させてスペックルノイズを低減させている。

特許文献２にて開示された装置では、投射レンズを構成する結像レンズとコンデンサレンズを透過型画像パネルに対して相対的に光軸方向に移動可能に支持している。そして、結像レンズからスクリーンまでの投射距離を変化させるとき、これらレンズをともに透過型画像パネルに対して相対的に移動させてスクリーン上で焦点調節を行う。

特許文献３にて開示された装置では、互いに光軸が一致しない複数の共軸光学系のうち一部の共軸光学系をフォーカスレンズ群としてその光軸方向に移動させる。これにより、像面が物面に対して傾き角度が一定のまま平行移動するように、すなわち投射画像に台形歪みを生じさせずにフォーカスを行う斜め投影光学系を構成している。

特許文献４にて開示された装置では、光束を観察者の網膜上において走査することにより画像を提示する。そして、瞳拡大素子を用いて、光束の波面曲率の変調に起因した表示画像の多重化を抑制しつつ射出瞳を拡大している。
特開２００６−０５３４９５号公報 特開平８−１０６０６５号公報 特許第３４１２３９６号 特開２００６−２５１１２５号公報

しかしながら、特許文献１には、装置から被走査面までの距離（投射距離）が変化した場合のピント調整については言及されていない。投射距離が変更となった場合の一般的なピント調整方法としては、中間像からの光を被走査面上に結像させる第２の光学系を光軸方向に移動させることが考えられる。

また、特許文献２の装置では、投射レンズ全体を光軸方向に移動させるので、ピント調整に必要なストロークの分だけ空間を確保する必要があり、装置が大型化する。

また、特許文献３の装置では、投射光学系を構成する複数のレンズ群のうち一部をフォーカスレンズ群として移動させる。ただし、フォーカスレンズ群は中間結像面から像面へ画像を投射する機能を有するため、多くのレンズが必要となる。そして、最も像面側に配置されたレンズ群をフォーカスレンズ群としているため、ピント調整のストロークの分だけ空間を確保する必要がある。つまり、装置が大型化する。

さらに、特許文献４の装置では、光束を眼の網膜に投影する光学系が、該装置のリレー光学系と眼の光学系とにより構成される。この装置では、波面変調に伴い中間像面の位置が光軸方向に移動した場合、眼の光学系の焦点距離を変化させることでピントが調整される。つまり、眼の光学系が可変焦点レンズになっている。また、瞳拡大素子がピント位置からずれると、網膜に投影される像が多重化してしまう。そのため、瞳拡大素子を中間像面と一致させるように調整する必要がある。

この特許文献４の網膜走査型画像表示装置の光学系は、網膜をスクリーンに置き換えることで、スクリーン上に画像を表示する走査型画像表示装置に応用することも考えられる。この場合、スクリーンに光束を投射する光学系に可変焦点レンズが含まれているので、投射距離が変化した場合には可変焦点レンズを用いてピント調整を行えばよい。したがって、瞳拡大素子を光軸方向に調整する必要がなくなる。

しかし、スクリーンへ光束を投射する光学系に可変焦点レンズを投入することは難しく、眼の光学系のように簡単にピント調整ができない。そこで、一般には、投射光学系やその一部を構成するレンズ群を光軸方向に移動させてピント調整を行う。このため、ピント調整に必要なストロークを確保する必要があり、装置が大型化する。

また、特許文献２の投射レンズ、特許文献３のフォーカスレンズ群及び特許文献４のリレー光学系や眼の光学系はいずれも共軸レンズ系を用いている。このため、これらを光軸方向に移動させることでピント調整が可能である。

これに対し、偏心レンズや結像ミラー等の偏心光学系を用いる場合には、以下の問題が生ずる。

偏心光学系は、入射した光束の光路を折り曲げるように構成されており、偏心光学系に入射する中心光線と偏心光学系から射出する中心光線とが非平行となる。特に結像ミラーを用いた場合は非平行度が大きくなる。

ここで、偏心光学系の入射光線に沿った方向に偏心光学系を移動させた場合、ピント調整は可能であるが、像面（被走査面）上の画像の投射位置が変化する。これは、偏心光学系に入射する中心光線と偏心光学系から射出する中心光線とが非平行であり、偏心光学系が入射光線に沿って移動すると射出光線がシフトするためである。そして、このように画像の位置が変化すると、ピント調整後に画像の位置調整が必要となってしまう。

本発明は、投射距離の変更に伴うピント調整（劣化した解像度の補正）を簡単な構成で行うことができ、かつピント調整に必要なスペースを減少させて小型化を図ることができる光走査装置を提供する。また、本発明は、偏心光学系を用いた場合においても投射位置を変化させずに投射距離の変化に伴うピント調整が可能な光走査装置を提供する。

本発明の一側面としての光走査装置は、光源からの光束を走査する走査手段と、走査手段からの光束に中間像を形成させる第１の光学系と、該中間像の位置を含む特定範囲内に配置され、第１の光学系からの光束から複数の光束成分を発生させる光束成分発生手段と、複数の光束成分を被走査面に向けて集光させて投射する第２の光学系と、投射距離の変更に伴って、光束成分発生手段を上記特定範囲内で該複数の光束成分の進行方向又はその逆方向に移動させる移動手段とを有することを特徴とする。ここで、第２の光学系は、偏心光学系であってもよい。

なお、上記光走査装置を有し、被走査面に画像を形成する走査型画像表示装置も本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、中間像位置を含む特定範囲内で光束成分発生手段を移動可能とすることで、投射距離の変更に伴うピント調整（劣化した解像度の補正）を簡単な構成で行うことができる。しかも、ピント調整に必要なスペースが小さいので、小型の光走査装置及び走査型画像表示装置を実現できる。また、第２の光学系に偏心光学系を用いた場合においても、投射位置を変化させずに投射距離の変化に伴うピント調整が可能な光走査装置及び走査型画像表示装置を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である光走査装置及びこれを備えた走査型画像表示装置の構成を模式的に示している。

１０１はレーザ光源であり、１５０は該レーザ光源を駆動する駆動回路である。駆動回路１５０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置１６０からの画像情報が入力される。駆動回路１５０は、入力された画像情報に応じてレーザ光源１０１を変調駆動する。なお、このことは、後述する実施例でも同様である。

レーザ光源１０１から発せられたコヒーレンスを有するレーザ光束（発散光束）は、コリメータレンズ１０２によって平行光束に変換される。コリメータレンズ１０２から射出した光束は、２次元走査デバイス（走査手段）１０３によって２次元方向に走査され、走査光学系１０４を介して被走査面としてのスクリーン１０５上に投射される。これにより、スクリーン１０５上に画像が投射（表示又は形成）される。

本実施例では、２次元走査デバイス１０３として、２次元方向に光束を走査可能なＭＥＭＳ(Micro Electro-mechanical system)ミラーデバイスを用いている。該ＭＥＭＳミラーデバイスでは、ミラー部が水平方向においては、例えば１８ｋＨｚと高い共振周波数で揺動（振動）するとともに、垂直方向においては、例えば６０Ｈｚと低い周波数で揺動する。

したがって、スクリーン１０５上には水平方向に往復する走査線１０６が画像の最上部から順次下方に形成されていき、画像の最下部に達すると走査線１０６は再び画像の最上部へ戻る。この一連の動作によってスクリーン１０５上には往路及び復路でそれぞれ３００本の走査線１０６が形成され、例えば水平方向８００画素、垂直方向６００画素のＳＶＧＡの１フレーム画像が形成される。そして、この動作を繰り返し行うことで、動画が表示される。実際には、ある瞬間においてはスクリーン１０５上には１つの光束のスポットしか存在しないが、スポットが２次元に走査されることで、観察者の残像効果により画像が認識される。

なお、図１では、走査線１０６を模式的に示しているが、実際には、対角サイズ１２インチで解像度がＳＶＧＡの画像を表示している。１画素の大きさは約３００μｍである。

また、２次元走査デバイスとしては、互いに異なる１次元方向に光束を走査可能なＭＥＭＳミラーデバイスを２つ用いたり、１次元方向に光束を走査可能なＭＥＭＳミラーデバイスと他の１次元方向に光束を走査可能なガルバノミラーを用いたりしてもよい。

図２には、本実施例の光走査装置の垂直光学断面を示している。

レーザ光源１０１から発せられた発散光束は、コリメータレンズ１０２によって平行光束に変換され、折り返しミラー１０７を介して２次元走査デバイス１０３に入射する。走査デバイス１０３により水平方向及び垂直方向に偏向された光束は、第１の光学系１０４Ａと第２の光学系１０４Ｂとを含む走査光学系１０４を介してスクリーン１０５上にスポット像を形成（すなわち、結像）する。

第１の光学系１０４Ａは、走査デバイス１０３からの光束を集光して、第２の光学系１０４Ｂよりも走査デバイス側に中間像１０８を形成させる。この中間像（中間像が結ばれる位置）１０８とは、レーザ光源の中間像が結ばれる位置（スクリーンと共役な位置）である。すなわち、第１の光学系によって、レーザ光源１０１と中間像１０８（その位置に配置されたマイクロレンズアレイ１０９）とが実質的に共役な関係になっている。尚、レーザ光源の最終像は、勿論スクリーン１０５上に結ばれる像のことであり、この中間像はレーザ光源、スクリーンの両者と実質的に共役である。また、第１の光学系１０４Ａは、本実施例では、２枚の自由曲面ミラーによって構成されている。

中間像１０８の位置を含む特定範囲内には、光束成分発生手段としてのマイクロレンズアレイ（回折素子）１０９が配置されている。マイクロレンズアレイ１０９は、第１の光学系１０４Ａからの光束から複数の光束成分としての複数の回折光束成分（以下、単に回折光束という）を発生させる。尚、この特定範囲内とは、光学的な見地から考えて、実質的に同じ作用を及ぼすと考えられる範囲のことであり、この範囲は、第一の光学系の焦点距離の１０分の１（好ましくは２０分の１）未満であると良い。

そして、第２の光学系１０４Ｂは、マイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束をスクリーン１０５上の１点に集光させるように、すなわち複数の回折光束をスクリーン１０５上の同一位置（１画素）で重ね合わせるように、スポットとして結像させる。

図３Ａには、マイクロレンズアレイ１０９の形状の例を、図３Ｂには、マイクロレンズアレイ１０９により１本の光束から発生する複数の回折光束の分布の例をそれぞれ示す。

図３Ａの左側に示すように、マイクロレンズアレイ１０９には、正六角形の外形を有する微小レンズＭＬがピッチ１０μｍで隣接配置されている。具体的には、微小レンズＭＬは、１つの微小レンズの周囲を６つの微小レンズが囲むように、言い換えれば、該周囲を囲む微小レンズの中心を結んだ線が六角形をなすように配置されている。以下、この配置を六角形配置という。このマイクロレンズアレイ１０９は、光路中に挿入されることにより、入射した１本の光束から複数の回折光束を発生させる回折素子として機能する。

図３Ａの右側には、マイクロレンズアレイ１０９の断面（左側の図中のＡ−Ａ線での断面）の形状を示す。マイクロレンズアレイ１０９は、１ｍｍ厚のガラス基板ＧＰ上に数十μｍ厚の微小レンズＭＬが形成されて構成されている。微小レンズＭＬの曲率を最適化することで、高い回折効率を得ている。

マイクロレンズアレイ１０９において微小レンズＭＬが六角形配置されているため、図３Ｂに示すように、マイクロレンズアレイ１０９により１本の光束から発生する回折光束の分布（ファーフィールドパターン）も六角形をベースとしたパターンとなる。

回折光束の分布の中心には、０次回折光束Ｄ０が１本存在し、その周囲に１次回折光束Ｄ１が６本存在する。さらに、その外側には、２次回折光束Ｄ２が６本存在する。また、隣り合う２次回折光束Ｄ２の間には、１次回折光束１次回折光束（以下、対角方向の１次回折光束という）Ｔ１が存在する。各回折光束は、互いに離間している。なお、２次回折光束Ｄ２及び対角方向の１次回折光束Ｔ１の外側には、３次回折光束等の高次回折光束が存在するが、図には示していない。

本実施例では、マイクロレンズアレイ１０９で発生した０次回折光束Ｄ０、１次回折光束Ｄ１、２次回折光束Ｄ２及び対角方向の１次回折光束Ｔ１を複数の光束成分として第２の光学系１０４Ｂによってスクリーン１０５上の１点に集光させる。

ここで、「複数の光束成分（回折光束）」は、図１２に示すように、光束成分ごとにピークを含む光量分布（強度分布）を有する。また、「複数の光束成分」は、観察者に認識される特定の光量レベルＴ（ピーク光量の１／ｅ^２となる光量レベル）以上の光量部分においては互いに離間している。言い換えれば、観察者にほとんど認識されない特定の光量レベルＴ（ピーク光量の１／ｅ^２となる光量レベル）より低い光量部分においては互いに重なっていてもよい。本実施例では、このような状態の複数の光束成分（特定の光量レベル未満の光量分布を示している領域において重なっている複数の光束成分）を、互いに離間しているものとみなす。また、図１２における０次回折光束と２次回折光束、及び２次回折光束同士も互いに離間していると言える。

ただし、「複数の光束成分」は、光束成分ごとにピークを含む光量分布を有していれば、互いに離間していなくてもよく、互いに隣接していてもよい（重複していてもよい）。図１２において、特定の光量レベルＴより若干低い光量部分Ｔ′まで含めた場合には、隣り合う光束成分は互いに隣接していると言うこともできる。

以上の「複数の光束成分」の意味は、後述する他の実施例でも同じである。

これらの複数の回折光束を互いに異なる角度からスクリーン１０５へ入射させて同一位置（１画素）にて重ね合わせることにより、回折光束ごとに異なる態様で発生するスペックルパターンが複数重ね合わされる。これにより、スペックルノイズを平均化し、スペックルコントラストを低減させることができる。

このように、本実施例では、走査光学系１０４の中間像位置又はこれに近接した位置を含む特定範囲にマイクロレンズアレイ１０９等の光束成分発生手段を配置して複数の光束成分を発生させ、該複数の光束成分をスクリーン１０５上の１点に集光させる。これにより、レーザ光源を使用することで発生するスペックルノイズを低減することができる。

前述したように、ＳＶＧＡ画像を対角１２インチのサイズで表示するときの１画素の大きさは約３００μｍである。１本の光束を走査してそのままスクリーンに投射する従来の装置では、スクリーンへ入射する光束のＦナンバーはＦ＝３４９と大きく（暗く）、±１００ｍｍを超える広い焦点深度が得られる。このため、いわゆるピントフリーの投射が可能である。

一方、マイクロレンズアレイ等の光束成分発生手段によって発生した複数の光束成分をスクリーン上の１点に集光させる本実施例では、各光束のＦナンバーはＦ＝３４９と大きいが、複数の光束成分を１本の光束として見た場合のＦナンバーは、Ｆ＝７０と小さい。

そこで、本実施例では、投射距離が変更された場合に、解像度を劣化させないようにピント調整が必要となる。

従来の光走査装置では、走査光学系全体もしくは走査光学系を構成する一部の光学系部分を光軸方向に移動させてピント調整を行っていた。本実施例の光走査装置でも、同様に第２の光学系１０４Ｂを移動させてピント調整を行うことは可能であるが、第２の光学系１０４Ｂを光軸方向に移動させるストローク分のスペースが必要となり、装置の大型化につながるため、好ましくない。特に、携帯使用される機器に搭載される光走査装置においては、小型化が強く望まれる。

また、第２の光学系に結像ミラー等の反射型光学素子を含む偏心光学系を用いる場合には、反射型光学素子によって光路が折り曲げられることにより第２の光学系に入射する中心光線と第２の光学系から射出する中心光線とが非平行となる。ここで、中心光線とは、スクリーン１０５の画像中心に到達する光束の主光線であり、偏心光学系ではその光路の向きが変化する。このような偏心光学系を用いた第２の光学系を移動させてピント調整を行うと、第２の光学系の移動量に応じてスクリーン１０５上での画像の投射位置が上下又は左右に動いてしまう。これでは、ピント調整ごとに投影位置調整が必要となり、好ましくない。

さらに、反射型光学素子は、屈折型光学素子に比べて約４倍も高い敏感度を有し、しかも光走査装置の小型化に伴って、反射型光学素子の曲率半径も小さくなる。したがって、反射型光学素子の偏心に対する収差劣化の敏感度が非常に大きくなる。このため、第２の光学系を移動させるには、ピント調整には必要のない光軸に直交する方向への移動や光軸に対する傾きを精度良く抑える必要がある。このことは、第２の光学系を移動させる機構に高い機械的精度が要求されたり、たわみや振動が発生しない頑強さが要求されたりし、コストアップを招く要因にもなる。

そこで、本実施例では、中間像１０８を含む特定範囲内でマイクロレンズアレイ１０９を該マイクロレンズアレイ１０９で発生する光束成分の進行する方向又はその逆方向（以下、これらを光線方向という）に移動させる。これにより、マイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束の集光位置を調整し、上述した不都合を生じることなく、ピント調整を可能とする。

以下、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを用いて、本実施例における投射距離の変更に伴うピント（解像度）調整方法について説明する。

図４Ａに示すように、第２の光学系１０４Ｂは２枚の自由曲面ミラーＭ１，Ｍ２で構成されている。図４Ａでは、第１の光学系１０４Ａからの光束Ｌが中間像１０８を形成するように結像し、中間像１０８の位置にマイクロレンズアレイ１０９が配置されている状態を示す。マイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束Ｄは、自由曲面ミラーＭ１及び自由曲面ミラーＭ２を介してスクリーン１０５上に再び結像する。中間像面に入射する光束Ｌは、互いに平行（平行とみなせる程度に平行からずれている場合も含む）である。

図４Ｂには、スクリーン１０５を位置１０５Ａから位置１０５Ｂに移動させて投射距離を変更した様子を示している。マイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束Ｄは元のスクリーン位置１０５Ａにベストフォーカス位置があり、各回折光束Ｄの集光位置も一致していた。そのため、現在のスクリーン位置１０５Ｂでは、各回折光束Ｄがスクリーン１０５に到達する位置がばらつき、解像度が劣化する。

そこで、図４Ｃに示すように、マイクロレンズアレイ１０９を中間像１０８の位置を含む特定範囲Ａで光線方向に移動させてマイクロレンズアレイ１０９の光学的な共役点を位置１０５Ａから位置１０５Ｂへ移動させる。言い換えれば、マイクロレンズアレイ１０９をスクリーン１０５と共役な位置に移動させる。

これにより、マイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束Ｄをスクリーン１０５上の１点に集光させることができる。

なお、図４Ｃにおける光線方向とは、スクリーン１０５の画像中心Ｐｃに到達する光束のうち０次回折光束の主光線が、マイクロレンズアレイ１０９から第１自由曲面ミラーＭ１に向かう方向を意味する。また、光線方向は、第２の光学系１０４Ｂの光軸方向と言うこともできる。

また、本実施例において、マイクロレンズアレイ１０９を移動させるスクリーン１０５と共役な位置とは、厳密にスクリーン１０５と共役な位置だけでなく、共役な位置に近接して光学的に共役な位置とみなせる位置も含む。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

また、このようにマイクロレンズアレイ１０９を移動させるために、本実施例では、移動手段しての移動機構１２０を設けている。移動機構１２０は、例えば、ピント調整スイッチと、該スイッチの操作に応じて動作してマイクロレンズアレイ１０９を移動させるアクチュエータとにより構成される。

前述したように、各回折光束のＦナンバーは非常に大きく、１本の回折光束を走査する場合は焦点深度が±１００ｍｍを超える。このため、各回折光束のベストフォーカス位置が位置１０５Ａのままであっても、スクリーン１０５上で十分な解像度が得られる。

このように、本実施例では、走査光学系内の中間像位置を含む特定範囲Ａ内でマイクロレンズアレイ１０９を光線方向に移動させることにより、マイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束をスクリーン１０５上の１点に集光するように調整する。これにより、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を低減することができる。

特定範囲Ａとは、スクリーン１０５までの投射距離の変化に応じて、マイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束の集光位置を調整することができる範囲である。別言すれば、投射距離の変化に応じてマイクロレンズアレイ１０９の光学的な共役点を移動させることができる範囲である。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

また、本実施例では、マイクロレンズアレイ１０９は、第１の光学系１０４Ａと第２の光学系１０４Ｂとの間のスペースを利用して移動する。このため、解像度調整のために新たなスペースを確保する必要がなく、光走査装置の大型化を回避することができる。

また、本実施例では、マイクロレンズアレイ１０９を移動させるので、解像度の調整に伴う画像投射位置のシフトがなく、画像投射位置の調整が不要になる。

また、第２の光学系１０４Ｂを構成する自由曲面ミラーＭ１，Ｍ２を固定して設置できるので、高精度な位置決めが可能となる。これにより、組立誤差や光学系を移動させたときに生じる光軸に直交する方向のシフトやチルトによる収差劣化を小さく抑えることができ、良好な画像を表示することができる。

さらに、投射距離の変更後もマイクロレンズアレイ１０９で発生した複数の回折光束をそれぞれ異なる角度でスクリーン１０５に入射させるので、スペックル低減効果を十分に発揮することができ、スペックルノイズの少ない高品位な画像を表示することができる。

また、本実施例においては、マイクロレンズアレイ１０９の共役点がスクリーン１０５上に位置するようにマイクロレンズアレイ１０９を移動させる場合について説明したが、必ずしも共役点がスクリーン１０５上に位置する必要はない。

また、本実施例では、マイクロレンズアレイ１０９のみを移動させる場合について説明したが、マイクロレンズアレイ１０９と第２の光学系１０４Ｂ又はその一部とを移動させてもよい。この場合においても、第２の光学系１０４Ｂ又はその一部の移動ストロークを小さくすることができるので、装置の大型化を抑えることができる。

また、前述したように、本実施例では、中間像１０８の位置に入射する光束Ｌは互いに平行としているので、マイクロレンズアレイ１０９を光線方向に移動させたときに生じる画像の歪みは殆ど発生しない。さらに、マイクロレンズアレイ１０９を光線方向に移動させても、マイクロレンズアレイ１０９への光束の入射角がほとんど変わらないので、高い回折効率を維持することができる。

上記実施例１にて説明した（及び後述する他の実施例にて説明する）構成は、ＲＧＢの３色の色光を発する光源を用いる場合にも適用することができる。すなわち、実施例１に示した構成を応用してカラー画像を投射する光走査装置及び走査型画像表示装置を構成することができる。

図５には、本実施例の装置にて用いられるカラー光源ユニットの例を示す。カラー光源ユニット５０１は、例えば発振波長６４０ｎｍの赤色半導体レーザ５０１ａと、発振波長５３２ｎｍの緑色レーザ光源５０１ｂと、発振波長４４５ｎｍの青色半導体レーザ５０１ｃの３つのレーザ光源を用いて構成される。なお、緑色レーザ光源５０１ｂとしては、赤外レーザから波長変換により緑色レーザを発生させるＳＨＧ方式の光源を用いてもよい。

これらのレーザ光源５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃから発せられた光束は、それぞれに対応したコリメータレンズ５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃによって平行光束に変換された後、ダイクロイックプリズム５１０で１本のビームに合成される。そして、実施例１にて説明した２次元走査デバイスによって走査され、スクリーン上に投射される。

このようなカラー光源ユニット５０１を用いる場合、実施例１に示した２枚の反射型光学素子（Ｍ１，Ｍ２）により構成される第２の光学系１０４Ｂを用いることにより、色収差の発生を抑えことができる。これにより、３色に関するマイクロレンズアレイ１０９の共役点のいずれをもスクリーン１０５上に位置させるようにマイクロレンズアレイ１０９を移動させることができ、各色の複数の回折光束をスクリーン１０５上の１点に集光させることができる。

このように、本実施例によれば、３色のレーザ光源を用いた光走査装置及びカラー走査型画像表示装置においても、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を防止することができる。

図６には、本発明の実施例３である光走査装置（走査型画像表示装置）の一部の垂直断面を示す。

本実施例は、第２の光学系をプリズム素子で構成した点で実施例１と異なる。

図示はしないが、本実施例における光走査装置も、実施例１と同様に、レーザ光源から発せられた光束を２次元走査デバイス（ＭＥＭＳミラーデバイス）によって水平方向及び垂直方法に偏向する。そして、走査デバイスからの光束は、２枚の自由曲面ミラーにより構成される第１の光学系によって中間像６０８を形成するように結像する。このとき、中間像６０８の位置に入射する光束Ｌは、互いに平行（平行であるとみなせる場合も含む）である。

中間像６０８の位置又はこれに近接した位置を含む特定範囲（図７ＢにＡで示す）には、光束成分発生手段としてのマイクロレンズアレイ６０９が配置されている。マイクロレンズアレイ６０９は入射した１本の光束から複数の回折光束Ｄを発生させる。マイクロレンズアレイ６０９の構成、発生する回折光束のパターン及びスクリーン６０５に導く複数の回折光束については、実施例１と同じである。

第２の光学系６０４Ｂは、３面を有するプリズム素子６１１で構成されている。プリズム素子６１１は、マイクロレンズアレイ６０９とスクリーン６０５とを光学的に共役な関係とし、マイクロレンズアレイ６０９で発生した複数の回折光束Ｄをスクリーン６０５上の１点に集光させる。すなわち、スクリーン６０５上の同一位置（１画素）にて重ね合わせる。

プリズム素子６１１において、第１面Ｓ１は屈折面、第２面Ｓ２は全反射と屈折の共通面、第３面Ｓ３は反射面であり、各面は自由曲面形状を有する。プリズム素子６１１は、第１面Ｓ１〜第３面Ｓ３により囲まれた領域が、屈折率約１．５の樹脂により満たされている。

そして、マイクロレンズアレイ６０９で発生した回折光束は、第１面Ｓ１からプリズム素子６１１に入射して、第２面Ｓ２及び第３面Ｓ３で全反射され、第２面Ｓ２を透過してスクリーン６０５上に集光される。

プリズム素子６１１は３つの面Ｓ１〜Ｓ３を含めて一体成形できるので、該３つの面Ｓ１〜Ｓ３の位置関係を高精度に設定することができる。また、プリズム素子６１１の内部で反射を行うため、面の外側に支持用の厚みを持たせる必要がない。このため、第２の光学系全体の厚みを小さく抑えられる。また、面Ｓ２を全反射と屈折の共通面としているので、面Ｓ２の面積を小さくすることができ、この結果、プリズム素子６１１（第２の光学系６０４Ｂ）を小型化することができる。

本実施例の装置でも、スクリーン６０５の位置（投射距離）に応じてピント調整を行うことが求められる。

しかし、本実施例では、第２の光学系６０４Ｂとして偏心光学系を構成するプリズム素子６１１を用いており、反射面によって光路が折り曲げられることによって第２の光学系６０４Ｂに入射する光束と第２の光学系６０４Ｂから射出する光束とが非平行となる。このため、プリズム素子６１１をピント調整のために移動させると、スクリーン６０５上での画像投射位置が変化してしまう。

しかも、プリズム素子６１１は、その内部が樹脂で満たされた比較的大きな部材であるので、重量が大きく、これを移動させるためには出力の大きなアクチュエータが必要である。

そこで、本実施例では、マイクロレンズアレイ６０９を光線方向に移動させ、マイクロレンズアレイ６０９で発生した複数の回折光束の集光位置を調整することで、上述した不都合を生じることなくピント調整を行う。

以下、図７Ａ及び図７Ｂを用いて、本実施例における投射距離の変更に伴うピント（解像度）調整方法について説明する。

図７Ａは、スクリーン６０５を位置６０５Ａから位置６０５Ｂまで移動させた状態を示している。中間像６０８の位置に配置されたマイクロレンズアレイ６０９により発生した複数の回折光束Ｄは、プリズム素子６１１により位置６０５Ａに集光され、各回折光束のベストフォーカス位置も位置６０５Ａにある。したがって、位置６０５Ｂに移動したスクリーン６０５に対しては、各回折光束Ｄがスクリーン６０５に到達する位置がばらつき、解像度が劣化する。

そこで、図７Ｂに示すように、マイクロレンズアレイ６０９を特定範囲Ａ内で光線方向に移動させてマイクロレンズアレイ６０９の光学的な共役点を、位置６０５Ａから位置６０５Ｂへ移動させる。これにより、マイクロレンズアレイ６０９で発生した複数の回折光束Ｄは、位置６０５Ｂにあるスクリーン６０５上の１点に集光する。

本実施例にいう光線方向とは、スクリーン６０５の中心Ｐｃに到達する光束のうち０次回折光の主光線がマイクロレンズアレイ６０９からプリズム素子６１１の入射面Ｓ１へ向かう方向を意味する。

なお、各回折光束のＦナンバーは非常に大きく、１本の回折光束が走査される場合は焦点深度が±１００ｍｍを超える。このため、各回折光束のベストフォーカス位置が位置６０５Ａのままであっても、位置６０５Ｂのスクリーン６０５上で十分な解像度が得られる。

また、上述のようにマイクロレンズアレイ６０９を移動させるために、本実施例でも、実施例１にて説明したのと同様な移動機構６２０を設けている。

このように、本実施例でも、走査光学系内の中間像位置を含む特定範囲Ａ内でマイクロレンズアレイ６０９を光線方向に移動させることにより、マイクロレンズアレイ６０９で発生した複数の回折光束をスクリーン６０５上の１点に集光するように調整する。これにより、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を低減することができる。

また、マイクロレンズアレイ６０９は、第１の光学系と第２の光学系６０４Ｂとの間のスペースを利用して移動する。このため、解像度調整のために新たなスペースを確保する必要がなく、光走査装置の大型化を回避することができる。

また、本実施例では、マイクロレンズアレイ６０９を移動させるので、解像度の調整に伴う画像投射位置のシフトがなく、画像投射位置の調整が不要になる。

さらに、マイクロレンズアレイ６０９は、プリズム素子６１１に比べて軽量であるので、移動機構６２０のアクチュエータにかかる負荷を軽減することができる。

図８には、本発明の実施例４である光走査装置（走査型画像表示装置）の一部の垂直断面を示す。

本実施例は、実施例１に対して、第２の光学系の構成と、光束成分発生手段としてのマイクロレンズアレイの構成とが異なる。

図示はしないが、本実施例における光走査装置も、実施例１と同様に、レーザ光源から発せられた光束を２次元走査デバイス（ＭＥＭＳミラーデバイス）によって水平方向及び垂直方法に偏向する。そして、走査デバイスからの光束は、２枚の自由曲面ミラーにより構成される第１の光学系によって中間像８０８を形成するように結像する。このとき、中間像８０８の位置に入射する光束Ｌは、互いに平行（平行であるとみなせる場合も含む）である。

中間像８０８の位置又はこれに近接した位置を含む特定範囲（図１０にＡで示す）には、光束成分発生手段としての回折素子ユニット８０９が配置されている。回折素子ユニット８０９は入射した１本の光束から複数の回折光束Ｄを発生させる。複数の回折光束Ｄは、第２の光学系８０４Ｂによって、スクリーン８０５上の１点に集光される、すなわちスクリーン８０５上の同一位置（１画素）にて重ね合わせられる。

本実施例では、第２の光学系８０４Ｂは、自由曲面ミラーＭ１，Ｍ２を有する偏心光学系として構成されている。このため、第２の光学系８０４Ｂに入射する光束と第２の光学系８０４Ｂから射出する光束とが非平行となり、第２の光学系８０４Ｂを移動させてピント調整を行うと、スクリーン８０５上での画像の投射位置が変化する。このため、本実施例でも、回折素子ユニット８０９を移動させてピント調節を行う。

図９には、本実施例における回折素子ユニット８０９を示している。回折素子ユニット８０９は、回折方向が互いに直交する第１の回折素子８０９Ｈ及び第２の回折素子８０９Ｖにより構成されている。

第１の回折素子８０９Ｈの格子Ｇの向きは、第２の光学系８０４Ｂにおける垂直方向に合わせられている。この第１の回折素子８０９Ｈは、入射した光束を水平方向へ回折させる（すなわち、回折方向が水平方向である）。また、第２の回折素子８０９Ｖの格子Ｇの向きは、第２の光学系８０４Ｂにおける水平方向に合わせられている。この第２の回折素子８０９Ｖは、入射した光束を垂直方向へ回折させる（すなわち、回折方向が垂直方向である）。

そして、第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖは、それぞれの格子Ｇが設けられた面を向かい合わせにして、中間像８０８の位置又はこれに近接する位置を挟んで配置される。

図８に示すように、第２光学系８０４Ｂが光学的パワー（集光作用）を有する反射面（自由曲面ミラー）Ｍ１，Ｍ２を含んだ偏心光学系である場合、これらによって光束を折り畳む方向の光学的パワーが強くなり、結像倍率が高くなる傾向にある。図８は、第２の光学系８０４Ｂが光束を垂直方向に折り畳む場合を示し、図の紙面に垂直な水平方向よりも、図の紙面に平行な垂直方向の結像倍率が高くなっている。

このように結像倍率が水平方向と垂直方向とで異なる場合に第２の光学系８０４Ｂを光線方向に移動させると、回折素子ユニット８０９の共役点の移動量が水平方向と垂直方向で異なる。これは、第２光学系８０４Ｂの縦倍率の影響によるもので、結像倍率の二乗に比例して回折素子ユニット８０９の共役点の移動量が大きくなる。一方、回折素子ユニット８０９を光線方向に移動させても同様の問題が発生する。

そこで、本実施例では、第２光学系８０４Ｂの水平方向と垂直方向（互いに直交する２方向）で縦倍率が異なる場合においても、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を良好に補正するため、以下の方法を採用する。

図１０、図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて、本実施例における投射距離の変更に伴うピント（解像度）調整方法について説明する。

本実施例では、回折素子ユニット８０９を、それぞれ回折方向が水平方向及び垂直方向である第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖで構成しており、第２の光学系８０４Ｂの水平方向及び垂直方向の縦倍率に合わせて各回折素子を配置している。

図１１Ａには、第１の回折素子８０９Ｈ及び第２の光学系８０４Ｂの水平方向の断面を示し、図１１Ｂには、第２の回折素子８０９Ｖ及び第２の光学系８０４Ｂの垂直方向の断面を示している。

第２の光学系８０４Ｂは、２枚の自由曲面ミラーＭ１，Ｍ２により構成され、中間像８０８の位置又はこれに近接した位置に配置された第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖで発生した複数の回折光束Ｄをスクリーン８０５上の１点に集光させる。第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖはそれぞれ、特定範囲Ａ内で互いに異なる位置に移動可能である。そして、このように第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖを移動させるために、本実施例では、移動機構８２０を設けている。移動機構８２０は、例えば、ピント調整スイッチと、該スイッチの操作に応じて動作して第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖを互いに異なる位置に移動させる２つのアクチュエータとにより構成される。

スクリーン８０５が図８に示す元の位置８０５Ａから位置８０５Ｂまで移動して投射距離が変更された場合、縦倍率が小さい水平方向では第１の回折素子８０９Ｈを大きく移動させ、縦倍率が大きい垂直方向では第２の回折素子８０９Ｖを小さく移動させる。これにより、水平方向及び垂直方向においてそれぞれ、第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖの光学的な共役点を同時にスクリーン８０５上に調整することができる。したがって、両回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖで発生した複数の回折光束をスクリーン８０５上の１点に集光させることができる。

なお、各回折光束のＦナンバーは非常に大きく、１本の回折光束が走査される場合は焦点深度が±１００ｍｍを超える。このため、各回折光束のベストフォーカス位置は位置８０５Ａのままであっても、位置８０５Ｂのスクリーン８０５上で十分な解像度が得られる。

このように本実施例では、第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖを特定範囲Ａ内で光線方向の異なる位置に移動させることにより、第２の光学系８０４Ｂの縦倍率が方向によって異なる場合でも、投射距離の変更に伴う解像度の劣化を補正することができる。

また、本実施例では、第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖを第１の光学系と第２の光学系８０４Ｂとの間のスペースで移動するので、解像度の調整のために新たなスペースを確保する必要がなく、コンパクトな光走査装置を提供することができる。

また、本実施例では、第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖを移動させるので、解像度の調整に伴う画像投射位置のシフトがなく、画像投射位置の調整が不要になる。

さらに、本実施例では、第１及び第２の回折素子８０９Ｈ，８０９Ｖを格子Ｇが設けられた回折作用面が向かい合うように配置しているので、回折作用面同士を近接させることが可能となり、解像度の調整範囲を拡大することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

例えば、上記各実施例では、第２の光学系を、集光作用を有する反射面を含むように構成したが、必ずしもそのような反射面を含まなくてもよい。

また、上記各実施例では、第２の光学系を偏心光学系として構成した場合について説明したが、必ずしも偏心光学系として構成しなくてもよい。

さらに、上記各実施例では、光束成分発生手段として回折素子を用いる場合について説明したが、ホログラム素子や偏光ビームスプリッタ等、１本の光束から複数の光束成分を発生させる手段であれば、回折素子以外の光学素子を用いてもよい。

本発明の実施例１である光走査装置及び走査型画像表示装置の構成を示す模式図。 実施例１の装置の垂直断面図。 実施例１の装置で用いられるマイクロレンズアレイの構造を示す図。 マイクロレンズアレイの回折光束の分布パターンを示す図。 実施例１の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。 実施例１の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。 実施例１の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。 本発明の実施例２である光走査装置及び走査型画像表示装置に用いられるカラー光源ユニットの構成を示す図。 本発明の実施例３である光走査装置及び走査型画像表示装置の一部の構成を示す垂直断面図。 実施例３の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。 実施例３の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。 本発明の実施例４である光走査装置及び走査型画像表示装置の一部の構成を示す垂直断面図。 実施例４の装置に用いられる回折素子ユニットの構成を示す斜視図。 実施例４の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図。 実施例４の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図（水平断面図）。 実施例４の装置における投射距離の変更に伴うピント調整方法の説明図（垂直断面図）。 実施例における複数の光束成分の光量分布を示す概念図。

符号の説明

１０１ 光源
１０２ コリメータレンズ
１０３ ２次元走査デバイス
１０４ 走査光学系
１０４Ａ 第１の光学系
１０４Ｂ，６０４Ｂ，８０４Ｂ 第２の光学系
１０５，６０５，８０５ スクリーン（被走査面）
１０８，６０８，８０８ 中間像
１０９，６０９ マイクロレンズアレイ
８０９Ｈ，８０９Ｖ 回折素子
１２０，６２０，８２０ 移動機構

Claims (7)

1. 光源からの光束を走査する走査手段と、
   前記走査手段からの光束に中間像を形成させる第１の光学系と、
   前記中間像の位置を含む特定範囲内に配置され、前記第１の光学系からの光束から複数の光束成分を発生させる光束成分発生手段と、
   前記複数の光束成分を被走査面に向けて集光させて投射する第２の光学系と、
   投射距離の変更に伴って、前記光束成分発生手段を前記特定範囲内で前記複数の光束成分の進行方向又はその逆方向に移動させる移動手段とを有することを特徴とする光走査装置。
2. 前記移動手段によって前記光束成分発生手段を前記被走査面と共役な位置に移動させることにより、前記複数の光束成分を前記被走査面における同一位置で重ね合わせることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記第２の光学系は、集光作用を有する反射面を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記第２の光学系は、偏心光学系であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光走査装置。
5. 前記光束成分発生手段は、回折素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光走査装置。
6. 前記第２の光学系は、互いに直交する２方向で縦倍率が異なり、
   前記回折素子として、回折方向が互いに直交する第１の回折素子及び第２の回折素子を有し、
   前記移動手段は、前記第１及び第２の回折素子を前記特定範囲のうち互いに異なる位置に移動させることを特徴とする請求項５に記載の光走査装置。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の光走査装置を有し、前記被走査面に画像を形成することを特徴とする走査型画像表示装置。