JPWO2010021331A1 - レーザー投射装置 - Google Patents

Abstract

レーザー光源（１）からの光を偏向装置（３）のミラー部（１０）によって互いに直交する第１の走査方向および第２の走査方向に偏向してスクリーン（ＳＣ）を２次元に走査することにより、スクリーン（ＳＣ）に２次元画像を表示する。偏向装置（３）は、第１の走査方向（例えば水平方向）よりも走査速度の遅い第２の走査方向（例えば鉛直方向）において、斜めに傾けて配置され、スクリーン（ＳＣ）に対して斜め投射を行う。このとき、第２の走査方向において、偏向装置（３）にて偏向された光線のスクリーン（ＳＣ）への入射角度が小さいほうから大きいほうに向かう方向を正としたとき、レーザー光源（１）からの光は、偏向装置（３）に対して第２の走査方向の負側から入射し、画面中心表示状態における偏向装置（３）のミラー部（１０）の法線が、スクリーン（ＳＣ）の法線に対して第２の走査方向の負側に傾いている。

Description

本発明は、レーザー光で被投射面を２次元に走査することにより、被投射面に２次元画像を表示するレーザー投射装置に関するものである。

従来から、偏向装置としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等を用い、レーザー光を偏向装置によって２次元に偏向して被投射面を２次元に走査することにより、被投射面に２次元画像を表示するレーザー投射装置が種々提案されている。このようなレーザー投射装置では、偏向装置に対する入射光と反射光とを分離する方式として、偏光分離方式と角度分離方式とがある。

偏光分離方式は、偏光を利用して入射光と反射光とを分離する方式である。例えば特許文献１には、偏光分離方式を採用したプロジェクタが開示されている。このプロジェクタでは、レーザー光（例えばＳ偏光）をＰＢＳで反射させ、これを１／４波長板で円偏光に変換した後、ＭＥＭＳミラーに垂直に入射させる一方、ＭＥＭＳミラーから垂直に射出される反射光を上記１／４波長板でＰ偏光に変換し、上記ＰＢＳを透過させてスクリーンに垂直に投射している。

このような偏光分離方式では、ＭＥＭＳミラーからの光をスクリーンに垂直に投射するので、スクリーンに表示された画像（投影画像）の台形歪みは少ないという利点があるが、以下のような欠点がある。すなわち、プロジェクタを机上または床面に置いて使用すると、投影画像の下半分は机上または床面に表示されるため、プロジェクタを手に持って使用しないと、スクリーン全体に画像を表示（投影）することができない。プロジェクタを手に持って使用する場合は、プロジェクタが揺れやすく、プロジェクタの長時間の使用もしづらくなる。このような問題に対処すべく、プロジェクタ自体を斜めに傾けて机上に置いて使用すると、今度は斜め投射に起因する台形歪みが発生する。また、投影画像をカラー化する場合は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光を用いる必要があるが、上記のＰＢＳや１／４波長板を全ての色光に対して良好な光学特性が得られるように設計することは困難であり、設計波長とは異なる波長の光でロスが生じやすく、明るい投影画像を得ることが困難となる。

一方、角度分離方式は、偏向装置に対してレーザー光を斜めから入射することで、入射光と反射光とを分離する方式である。この角度分離方式では、偏向装置で反射される光がスクリーンに対して斜めに投射されるので、プロジェクタを机上に置いて使用する場合でも、スクリーン全体に画像を表示することができる。また、上述したＰＢＳや１／４波長板のような光学部材が不要なので、上記のような光量ロスの問題も生じない。したがって、プロジェクタの使いやすさ、投影画像の明るさの点では、角度分離方式は偏光分離方式よりも優れていると言える。

米国特許出願公開第２００８／００３７０９０号明細書

ところで、角度分離方式は、スクリーンに対して光を斜めに投射することから、投影画像の台形歪みの問題を常に抱えており、台形歪みを抑える何らかの工夫が必要である。この点、例えば、偏向装置のスクリーン側に投射光学系を配置すれば、この投射光学系で台形歪みを補正することが可能である。しかし、偏向装置のスクリーン側に投射光学系を配置することは、プロジェクタの薄型化を阻害する要因となる。したがって、スクリーンに対して光を斜めに投射する構成では、投射光学系を配置することなく台形歪みを抑えることが望まれる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、被投射面に対して斜め投射の構成で、投射光学系を配置することなく投影画像の台形歪みを抑えることができる薄型のレーザー投射装置を提供することにある。

本発明のレーザー投射装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源からの光を反射部材によって互いに直交する第１の走査方向および第２の走査方向に偏向して被投射面を２次元に走査する偏向装置とを備え、前記偏向装置の偏向状態に応じて前記レーザー光源の出力を調整することにより、前記被投射面に２次元画像を表示するレーザー投射装置であって、前記偏向装置の第１の走査方向の走査速度は、第２の走査方向の走査速度よりも速く、前記偏向装置は、前記レーザー光源からの光を偏向することにより、前記被投射面に対して第２の走査方向において斜めから投射し、前記レーザー光源からの光線が前記偏向装置にて偏向されて前記被投射面の画面中心に入射するときの前記偏向装置の偏向状態を画面中心表示状態とし、第２の走査方向において、前記偏向装置にて偏向された光線の前記被投射面への入射角度が小さいほうから大きいほうに向かう方向を正としたとき、前記レーザー光源からの光は、前記偏向装置に対して第２の走査方向の負側から入射し、前記画面中心表示状態における前記偏向装置の前記反射部材の法線は、前記被投射面の法線に対して第２の走査方向の負側に傾いていることを特徴としている。

本発明のレーザー投射装置において、前記第２の走査方向は、鉛直方向であることが望ましい。

本発明のレーザー投射装置は、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。すなわち、
０．２５＜θmems／θin＜０．７５ ・・・（１）
ただし、
θmems；画面中心表示状態における前記偏向装置の前記反射部材の法線
と前記被投射面の法線とが第２の走査方向でなす角度
θin ；画面中心表示状態において前記レーザー光源からの主光線が前
記偏向装置の前記反射部材に入射するときの第２の走査方向の
入射角度
である。

本発明のレーザー投射装置は、以下の条件式（１ａ）をさらに満足することがさらに望ましい。すなわち、
０．３＜θmems／θin＜０．７ ・・・（１ａ）
である。

本発明のレーザー投射装置において、前記レーザー光源の光の射出方向は、画面中心表示状態における前記偏向装置の前記反射部材の法線方向と直交しており、前記レーザー光源からの光をねじれた方向に打ち上げる打ち上げミラーと、前記打ち上げミラーにて打ち上げられた光を前記偏向装置に打ち下ろす打ち下ろしミラーとをさらに備えている構成であってもよい。

本発明のレーザー投射装置において、前記偏向装置は、圧電素子への電圧印加によって前記反射部材を回動させることにより、前記反射部材に入射する前記レーザー光源からの光を偏向する圧電駆動方式で駆動されることが望ましい。

本発明のレーザー投射装置は、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。すなわち、
θin／θscan(V) ＞１．５ ・・・（２）
ただし、
θin ；画面中心表示状態において前記レーザー光源からの主光線が前
記偏向装置の前記反射部材に入射するときの第２の走査方向の
入射角度
θscan(V) ；前記偏向装置の画面中心表示状態からの第２の走査方向の
機械走査角度である。

本発明のレーザー投射装置は、以下の条件式（２ａ）をさらに満足することが望ましい。すなわち、
θin／θscan(V) ＞２ ・・・（２ａ）
である。

本発明のレーザー投射装置は、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。すなわち、
θin≦３５° ・・・（３）
である。

本発明のレーザー投射装置は、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。すなわち、
１．１＜cos(θin)×θscan(H) ／θscan(V) ＜１．５ ・・・（４）
ただし、
θin ；画面中心表示状態において前記レーザー光源からの主光線が前
記偏向装置の前記反射部材に入射するときの第２の走査方向の
入射角度
θscan(H) ；前記偏向装置の画面中心表示状態からの第１の走査方向の
機械走査角度
θscan(V) ；前記偏向装置の画面中心表示状態からの第２の走査方向の
機械走査角度である。

本発明によれば、レーザー光源からの光は、偏向装置（例えばＭＥＭＳミラー）の反射部材にて第１の走査方向（例えば水平方向）および第２の走査方向（例えば鉛直方向）の両方向に反射偏向され、被投射面に導かれる。このとき、偏向装置の第１の走査方向の走査速度は、第２の走査方向の走査速度よりも速いが、これは、第１の走査方向の駆動を例えば正弦駆動とし、第２の走査方向の駆動を例えば線形駆動とすることにより実現可能である。偏向装置によって被投射面を２次元に走査しながら、偏向装置の偏向状態に応じてレーザー光源の出力を調整することにより、被投射面に２次元画像が表示される。

ここで、レーザー光源からの光は、偏向装置に対して第２の走査方向の負側から入射し、偏向装置は、上記の光を偏向することにより、第２の走査方向において、被投射面に対して斜め投射を行う。一般に、斜め投射の構成では、投影画像（投影画面）の台形歪みが生じやすくなるが、本発明の構成では、画面中心表示状態における偏向装置の反射部材の法線が、被投射面の法線に対して第２の走査方向の負側に傾いているので、被投射面に対する斜め投射の程度を軽減することができる。これにより、台形歪みを補正するための投射光学系を配置しなくても台形歪みを抑えることが可能となる。その結果、装置の薄型化を図りながら、偏向装置から被投射面に至るまでに投射光学系を配置しなくても、台形歪みを抑えることが可能となる。

本発明の実施の形態１のレーザー投射装置の全体構成を示す垂直断面図である。 上記レーザー投射装置の主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。 本発明の実施の形態２のレーザー投射装置の全体構成を示す垂直断面図である。 上記レーザー投射装置の主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。 本発明の実施の形態３のレーザー投射装置の全体構成を示す垂直断面図である。 上記レーザー投射装置の主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。 本発明の実施の形態４のレーザー投射装置の全体構成を示す垂直断面図である。 上記レーザー投射装置の主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。 上記各レーザー投射装置が備える偏向装置の概略の構成を示す平面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、上記偏向装置の断面図である。 θinおよびθscan(V) を説明するための説明図である。 θmemsを説明するための説明図である。 θscan(H) を説明するための説明図である。 投影画面の台形歪みおよび走査歪みを説明するための説明図である。 台形歪みが最小となるときのθinとθmemsとの関係を示すグラフである。 台形歪みが最小となるとき、および±５％のときのそれぞれについてのθinとθmemsとの関係を示すとともに、θinとθmemsとの関係を直線で近似したときの種々の直線を示すグラフである。 （ａ）は、実施の形態４のレーザー投射装置の変形例の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、上記レーザー投射装置の側面図である。 上記レーザー投射装置における光路を模式的に示す斜視図である。 θin／θscan(V) ＝１．５のときの、偏向装置のミラー部への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。 θin／θscan(V) ＝２のときの、偏向装置のミラー部への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。 θinと走査歪みとの関係を示すグラフである。 θin＝２０°で台形歪みが最小となるときの投影画面の歪曲図である。 θin＝２５°で台形歪みが最小となるときの投影画面の歪曲図である。 θin＝３５°で台形歪みが最小となるときの投影画面の歪曲図である。 θin＝４０°で台形歪みが最小となるときの投影画面の歪曲図である。 cos(θin)×θscan(H) ／θscan(V) の値と投影画面の縦横比との関係を示すグラフである。 実施例１のレーザー投射装置における偏向装置のミラー部への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。 実施例２のレーザー投射装置における偏向装置のミラー部への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。 実施例３のレーザー投射装置における偏向装置のミラー部への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。 実施例４のレーザー投射装置における偏向装置のミラー部への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。

本発明の各実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、被投射面の画面長辺方向をＨ方向（水平方向）とし、画面短辺方向をＶ方向（垂直方向、鉛直方向）とする。なお、被投射面は、ここではスクリーンを想定しているが、壁であってもよい。

（１．レーザー投射装置の構成）
図１は、実施の形態１のレーザー投射装置ＰＪの全体構成を示す垂直断面図であり、図２は、上記レーザー投射装置ＰＪの主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。図３は、実施の形態２のレーザー投射装置ＰＪの全体構成を示す垂直断面図であり、図４は、上記レーザー投射装置ＰＪの主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。図５は、実施の形態３のレーザー投射装置ＰＪの全体構成を示す垂直断面図であり、図６は、上記レーザー投射装置ＰＪの主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。図７は、実施の形態４のレーザー投射装置ＰＪの全体構成を示す垂直断面図であり、図８は、上記レーザー投射装置ＰＪの主要部の構成を拡大して示す垂直断面図である。

各実施の形態１〜４のレーザー投射装置ＰＪは、レーザー光源１と、入射光学系２と、偏向装置３とを備えている。これらのレーザー投射装置ＰＪは、偏向装置３に対してレーザー光を斜めから入射させて、入射光と反射光とを分離する角度分離方式を採用している。そして、各レーザー投射装置ＰＪでは、偏向装置３がレーザー光源１からの光を偏向することにより、スクリーンＳＣに対してＶ方向の斜めから投射する構成となっている。

レーザー光源１は、レーザー光を射出する光源装置であり、ここでは、ＲＧＢの３色のレーザー光を射出する光源と、色合成手段とで構成されている。色合成手段は、ＲＧＢのレーザー光の光路を合成して射出するものであり、例えばダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーで構成されている。

入射光学系２は、レーザー光源１と偏向装置３との間の光路中に設けられる、例えば凸レンズからなる集光レンズである。この入射光学系２は、レーザー光源１から射出された光を偏向装置３を介してスクリーンＳＣに投射したときに、スクリーンＳＣ上でビーム径を最小にする目的で設けられている。

偏向装置３は、レーザー光源１から射出されて入射光学系２を介して入射する光を、互いに直交するＨ方向（第１の走査方向）およびＶ方向（第２の走査方向）に偏向して、スクリーンＳＣを２次元に走査する２次元偏向手段であり、例えばＭＥＭＳミラーで構成されている。なお、偏向装置３の詳細については後述する。偏向装置３は、Ｈ方向には正弦駆動（高速共振駆動）され、Ｖ方向には線形駆動（低速駆動）される。つまり、偏向装置３のＨ方向の走査速度は、Ｖ方向の走査速度よりも速い。

上記の構成によれば、レーザー光源１からの光は、入射光学系２を介して偏向装置３に斜めから入射し、偏向装置３の反射部材（後述するミラー部１０）にてＨ方向およびＶ方向に反射偏向され、スクリーンＳＣに対してＶ方向の斜めから投射される。偏向装置３により、スクリーンＳＣを上記光で２次元に走査しながら、偏向装置３の偏向状態に応じて（反射部材の傾き位置に応じて）レーザー光源１の出力を調整することにより、スクリーンＳＣに２次元画像を表示することができる。

（２．偏向装置の詳細）
次に、上記した偏向装置３の詳細について説明する。図９は、偏向装置３の概略の構成を示す平面図である。また、図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、図９の偏向装置３をＸ軸に垂直な断面で切ったときの断面図である。偏向装置３は、ミラー部１０、可動枠３０および固定枠７０を有するＭＥＭＳミラーである。固定枠７０は、偏向装置３を筐体（図示せず）に固定するための部分であり、その固定枠７０の内側に可動部分として可動枠３０が枠状に形成されており、可動枠３０の内側にミラー部１０が方形状に形成されている。

ミラー部１０は、レーザー光源１からの光を２次元的に偏向する反射部材を構成しており、トーションバー２１・２２を介して、外側の可動枠３０に弾性的に支持されている。トーションバー２１・２２は、ミラー部１０の中心を通るＹ軸に沿って、ミラー部１０の対向する２辺から外方へ延びている。

可動枠３０は、曲がり梁４１〜４４を介して、外側の固定枠７０に弾性的に支持されている。曲がり梁４１〜４４の一端は、可動枠３０における、Ｙ軸と直交するＸ軸（トーションバー２１・２２と直交し、かつ、ミラー部１０の中心を通る）の近傍の接続部３０ａ〜３０ｄにそれぞれ接続されている。ミラー部１０、トーションバー２１・２２、可動枠３０、曲がり梁４１〜４４および固定枠７０は、シリコン基板の異方性エッチングにより一体的に形成されている。

曲がり梁４１〜４４の表面には、圧電素子５１〜５４が接着等により貼り付けられて、４つのユニモルフ部６１〜６４が形成されている。図１０（ａ）に示すように、圧電素子５１の表裏には、上部電極５１ａと下部電極５１ｂとがそれぞれ設けられており、圧電素子５２の表裏には、上部電極５２ａと下部電極５２ｂとがそれぞれ設けられている。また、圧電素子５３・５４の表裏にも、同様に、上部電極および下部電極がそれぞれ設けられている。

例えば、上部電極５１ａおよび下部電極５１ｂに、分極反転を起こさない範囲で交流の電圧を印加することにより、圧電素子５１が伸縮し、ユニモルフ的に厚み方向に変位する。したがって、各電極への電圧印加によって生ずる圧電素子５１〜５４の曲げ変形により、曲がり梁４１〜４４は、可動枠３０に対しＹ軸回りおよびＸ軸回りに独立した回転トルクを作用させ、これによって、可動枠３０をＹ軸およびＸ軸を２軸として回動させることが可能となる。以下、このような回動動作の詳細について説明する。

まず、Ｘ軸回りの回動動作について説明する。圧電素子５１・５２が伸び縮みしていない図１０（ａ）の状態で、圧電素子５１に伸びる方向の電圧を印加し、圧電素子５２に縮む方向の電圧（圧電素子５１への印加電圧とは逆位相の電圧）を印加する。すると、各ユニモルフ部６１・６２の一端は、固定枠７０に固定・保持されているので、図１０（ｂ）に示すように、ユニモルフ部６１は他端が下方に変位するように曲がる一方、ユニモルフ部６２は他端が上方に変位するように曲がる。

同様に、圧電素子５３・５４にも圧電素子５１・５２に印加される電圧と同じ位相の電圧をそれぞれ印加すると、各ユニモルフ部６３・６４の一端は、固定枠７０に固定・保持されているので、ユニモルフ部６３は他端が下方に変位するように曲がる一方、ユニモルフ部６４は他端が上方に変位するように曲がる。これにより、可動枠３０にはＸ軸を中心とした回転トルクが作用し、可動枠３０はＸ軸を中心として一方向（Ｐ方向）に傾く。また、圧電素子５１〜５４に上記と逆位相の電圧を印加すると、同様の原理で、図１０（ｃ）に示すように、可動枠３０にＸ軸を中心とした逆方向の回転トルクが作用し、Ｘ軸を中心として上記とは逆方向（Ｑ方向）に傾く。

圧電素子５１〜５４に上記位相関係を保った交流電圧を印加すると、ユニモルフ部６１〜６４は交流電圧に追従して上下方向の振動を繰り返し、可動枠３０にシーソー的な回転トルクが作用し、可動枠３０はＸ軸を中心として所定変位角度まで回転振動する。ユニモルフ部６１〜６４が可動枠３０に接続される接続部３０ａ〜３０ｄは、幅が狭くなっているので、他の部分より曲がりやすい。このため、ユニモルフ部６１〜６４の僅かな撓みで、図１０（ｂ）（ｃ）に示したように可動枠３０のＸ軸近傍が大きく傾き、ミラー部１０を大きく傾けることができる。なお、接続部３０ａ〜３０ｄは幅を狭くするほかに厚みを他の部分より薄くしてもよい。

次に、Ｙ軸回りの回動動作について説明する。圧電素子５１・５２のいずれにも伸びる方向の電圧を印加すると、ユニモルフ部６１・６２の一端は固定枠７０に固定・保持されているので、図１０（ｄ）に示すように、ユニモルフ部６１・６２はいずれも他端が下方に変位するように曲がる。一方、圧電素子５３・５４に圧電素子５１・５２とは逆位相の電圧（縮む方向の電圧）を印加すると、ユニモルフ部６３・６４の一端は固定枠７０に固定・保持されているので、図１０（ｅ）に示すように、ユニモルフ部６３・６４はいずれも他端が上方に変位するように曲がる。なお、図１０（ｅ）では、便宜上、ミラー部１０の図示を省略している。これにより、可動枠３０にはＹ軸を中心とした回転トルクが作用し、可動枠３０はＹ軸を中心として傾く。

圧電素子５１〜５４に上記位相関係を保った交流電圧を印加すると、ユニモルフ部６１〜６４は交流電圧に追従して上下方向の振動を繰り返し、可動枠３０にシーソー的な回転トルクが作用し、可動枠３０はＹ軸を中心として所定変位角度まで回転振動する。したがって、４つのユニモルフ部６１〜６４にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、可動枠３０によって支持されているミラー部１０のＸ軸・Ｙ軸回りの傾きを任意に制御することができる。

以上のように、偏向装置３は、圧電素子５１〜５４への電圧印加によってミラー部１０を回動させることにより、ミラー部１０に入射するレーザー光源１からの光を偏向する圧電駆動方式で駆動される。ここで、ＭＥＭＳミラーの駆動方式としては、上記の圧電駆動方式のほかに、電磁駆動方式、静電駆動方式がある。電磁駆動方式では、反射部材の裏面に永久磁石を配置する必要があり、偏向装置が大型化するため、装置の薄型化には不利となる。また、静電駆動方式は、反射部材に対向する電極の静電力を利用して反射部材を駆動する方式のため、駆動電圧が高いというデメリットがある。これに対して、上述した圧電駆動方式では、薄い圧電素子への電圧印加によって反射部材を回動させ、入射光を偏向することができ、また、その駆動電圧も低くて済む。したがって、偏向装置３の駆動方式として圧電駆動方式を採用することにより、装置の薄型化に貢献することができ、また、消費電力も低減することができる。

なお、ここでは、ミラー部１０の形状を方形状としているが、この形状に限定されるわけではなく、例えば直径が１．５ｍｍ程度の円形で構成されていてもよい。

（３．台形歪みを抑える構成について）
次に、レーザー投射装置ＰＪにおいて、斜め投射に起因して発生する台形歪みを抑える構成について説明する。なお、以下での説明の便宜上、用語を以下のように定義しておく。

まず、レーザー光源１から射出された光線が偏向装置３にて偏向されてスクリーンＳＣの画面中心に入射するときの偏向装置３の偏向状態（ミラー部１０の傾き状態）を画面中心表示状態とする。そして、図１１に示すように、画面中心表示状態においてレーザー光源１からの主光線（中心光線）が偏向装置３のミラー部１０に入射するときのＶ方向の入射角度をθin（°）とし、図１２に示すように、画面中心表示状態における偏向装置３のミラー部１０の法線とスクリーンＳＣの法線とがＶ方向でなす角度をθmems（°）とする。また、図１１に示すように、偏向装置３の画面中心表示状態からのＶ方向の機械走査角度をθscan(V) （°）とし、図１３に示すように、偏向装置３の画面中心表示状態からのＨ方向の機械走査角度をθscan(H) （°）とする。なお、θscan(V) 、θscan(H) を正の符号の値で記載したときは、その値そのものを指す場合もあるし、機械走査角度の絶対値を指す場合もある。

また、台形歪みの評価は、図１４に示すように、画面左上の角部と画面右上の角部とを結んだ直線の長さをＢ３（ｍｍ）とし、画面左下の角部と画面右下の角部とを結んだ直線の長さをＢ１（ｍｍ）とし、画面中心を通る投影画面の水平方向の長さをＢ２（ｍｍ）としたときに、以下の式で算出される量で行っている。
台形歪み（％）＝｛（Ｂ３−Ｂ１）／Ｂ２｝×１００

スクリーンＳＣに対して偏向装置３を平行に配置した状態でスクリーンＳＣに対して斜め投射を行うと、原理的に投影画像に台形歪みが生じる。しかし、偏向装置３をスクリーンＳＣに対して傾けて配置した状態で、スクリーンＳＣに対して斜め投射を行うことにより、スクリーンＳＣに対する斜め投射の程度を軽減することができる。これにより、上記の台形歪みを抑えることができる。

例えば、図１５は、台形歪みが最小となるときのθinとθmemsとの関係を示すグラフである。なお、台形歪みが最小とは、上述した台形歪みの式によって導き出される値の絶対値が最小、すなわち０であることを示す。また、ここでは、θscan(H) が例えば±８°であり、θscan(V) が例えば±６°であるとする。同図より、角度分離方式では、θmemsが生じるようにすれば、すなわち、画面中心表示状態で偏向装置３のミラー部１０がスクリーンＳＣに対してＶ方向で光入射側に傾くようにすれば、台形歪みを最小にできることが分かる。

以上の点に鑑み、各レーザー投射装置ＰＪでは、偏向装置３を以下のように配置している。つまり、スクリーンＳＣに対する斜め投射方向であるＶ方向において、偏向装置３にて偏向された光線のスクリーンＳＣへの入射角度が小さいほうから大きいほうに向かう方向を正としたとき（その逆方向を負とする）、レーザー光源１からの光が偏向装置３に対してＶ方向の負側から入射する場合に、画面中心表示状態における偏向装置３のミラー部１０の法線が、スクリーンＳＣの法線に対してＶ方向の負側に傾くように偏向装置３を配置している（図１１参照）。これにより、台形歪みを補正するための投射光学系を偏向装置３のスクリーンＳＣ側に配置しなくても、台形歪みを抑えることが可能となり、投射光学系を不要とする分、装置の薄型化および小型化を図りながら、台形歪みを抑えることが可能となる。

特に、スクリーンＳＣ等の被投射面は、Ｖ方向に平行に位置するのが一般的であるが、偏向装置３を被投射面に対してＶ方向に傾けて配置することにより、そのような被投射面に対して斜め投射を行う最も一般的な投射形態において、上述した効果を得ることができ、有効である。

また、一般的に、θscan(H) はθscan(V) よりも大きいので、第２の走査方向をＶ方向とし、機械走査角度の小さいＶ方向で光路を折り曲げて斜め投射を行う構成とすることにより、偏向装置３での偏向分離（入射光と反射光との光線分離）に必要な、偏向装置３に入射する光の入射角度を、Ｈ方向で斜め投射を行う構成よりも小さくすることができ、さらに装置の薄型化を図ることができる。このことは、装置全体の小型化にもつながる。

ところで、図１５より、台形歪みが最小となるときのθinとθmemsとは、略比例関係にあることが分かる。図１５では、ほぼ、θmems／θin＝０．５の関係となっているので、この関係を満たすようにθinおよびθmemsを設定すれば、台形歪みを最小に抑えることができることになる。ただし、台形歪みが±５％の範囲内であれば、人間の目で観察する際に投影画像の台形歪みはあまり目立たない。

図１６は、台形歪みが最小となるとき、および±５％のときのそれぞれについてのθinとθmemsとの関係を示すとともに、θinとθmemsとの関係を直線で近似したときの種々の直線を示すグラフである。なお、直線Ａ１〜Ａ７は、θmems／θin＝０．７５、０．７、０．６５、０．５、０．３５、０．３、０．２５となる直線をそれぞれ示している。また、ここでは、θscan(H) は例えば±８°であり、θscan(V) が例えば±６°であるとする。同図より、（θin，θmems）の座標が直線Ａ１と直線Ａ７とで挟まれる領域内にあれば、台形歪みがほぼ±５％の範囲内になると言える。このことから、投影画像の台形歪みを抑えるための条件として、以下の条件式（１）を満足することが望ましいと言える。
０．２５＜θmems／θin＜０．７５ ・・・（１）

すなわち、条件式（１）の上限および下限を超えると、台形歪みが±５％を越えることとなり、台形歪みが大きくなるので、条件式（１）を満足することにより、台形歪みを±５％以内に小さく抑えて、良好な投影画像を得ることができる。なお、同図より、以下の条件式（１ａ）を満足することがより望ましく、以下の条件式（１ｂ）を満足することがより一層望ましいと言える。
０．３＜θmems／θin＜０．７ ・・・（１ａ）
０．３５＜θmems／θin＜０．６５ ・・・（１ｂ）

（４．偏向装置への入射光の光路の折り曲げについて）
図１７（ａ）は、実施の形態４のレーザー投射装置ＰＪの変形例の構成を示す正面図であり、図１７（ｂ）は、上記レーザー投射装置ＰＪの側面図である。また、図１８は、上記レーザー投射装置ＰＪにおける光路を模式的に示す斜視図である。上記レーザー投射装置ＰＪにおいては、上述したレーザー光源１、入射光学系２および偏向装置３に加えて、打ち上げミラー４および打ち下ろしミラー５をさらに備えている。打ち上げミラー４は、レーザー光源１から射出された光をねじれた方向に打ち上げる第１のミラーである。打ち下ろしミラー５は、上記の打ち上げミラー４にて打ち上げられた光を偏向装置３に打ち下ろす第２のミラーである。ここで、レーザー光源１の構成の詳細について説明する。

レーザー光源１は、光源１Ｂ・１Ｇ・１Ｒと、レンズ６Ｂ・６Ｇ・６Ｒと、ミラー７と、ダイクロイックミラー８・９とを有している。光源１ＢからＨ方向に射出されるＢのレーザー光は、レンズ６Ｂを介してミラー７に入射し、そこでＶ方向に光路を折り曲げられ、ダイクロイックミラー８に入射する。光源１ＧからＨ方向に射出されるＧのレーザー光は、レンズ６Ｇを介してダイクロイックミラー８に入射し、そこでＢのレーザー光と光路合成されてＶ方向に射出され、ダイクロイックミラー９に入射する。光源１ＲからＨ方向に射出されるＲのレーザー光は、レンズ６Ｒを介してダイクロイックミラー９に入射し、そこでＢおよびＧのレーザー光と光路合成されてＨ方向に射出され、入射光学系２に入射する。したがって、レーザー光源１全体から射出される光の射出方向としては、Ｈ方向となる。

上記のレーザー投射装置ＰＪでは、画面中心表示状態における偏向装置３のミラー部１０の法線方向（図１７（ｂ）で紙面に平行な方向）を、レーザー光源１の光の射出方向（Ｈ方向）と直交させている。そして、レーザー光源１からの光を打ち上げミラー４でねじれた方向に打ち上げ、続いて、打ち下ろしミラー５で偏向装置３に打ち下ろす構成としている。このような構成により、レーザー光源１からＨ方向に射出される光の光路を装置の厚さ方向（Ｈ方向およびＶ方向に垂直な方向）で折り曲げることができるので、装置全体を薄型化することが可能となる。

（５．θin／θscan(V) について）
偏向装置３にて入射光と反射光との光線分離を行うためには、原理的には、θinは、θscan(V) よりも大きければよい。しかし、θinが小さすぎると、光線分離に必要な距離、すなわち、偏向装置３の法線方向の距離が大きくなり、装置全体としての厚さが増大する。装置の薄型化の目安として、光線分離に必要な距離は、偏向装置３のミラー部１０の径の１０倍以下であることが望ましい。また、上述した折り返しミラー（打ち上げミラー４、打ち下ろしミラー５）等の設置を考慮した場合、光線分離に必要な距離は、ミラー部１０の径の８倍以下であることがさらに望ましい。

ここで、図１９は、θscan(V) ＝６°のときにθin＝９°としたとき、すなわち、θin／θscan(V) ＝１．５のときの、偏向装置３のミラー部１０への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。なお、同図の縦軸は偏向装置３のミラー部１０のＶ方向の長さ（ｍｍ）を示し、横軸は、光線分離に必要な距離（ｍｍ）を示している。また、同図において、偏向されたレーザー光が通過する領域とは、ミラー部１０によってθscan(V) ＝±６°の範囲内でレーザー光を偏向したときに、偏向されたレーザー光が通過する領域を示している。ミラー部１０のＶ方向の長さが１．５ｍｍである場合、光線分離に必要な距離は、同図より１４．１５ｍｍとなり、これは、ミラー部１０のＶ方向の長さの１０倍以下（９．４倍）となっている。

また、図２０は、θscan(V) ＝６°のときにθin＝１２°としたとき、すなわち、θin／θscan(V) ＝２のときの、偏向装置３のミラー部１０への入射光と反射光の光路を模式的に示す説明図である。ミラー部１０のＶ方向の長さが１．５ｍｍである場合、光線分離に必要な距離は、同図より７．０６ｍｍとなり、これは、ミラー部１０のＶ方向の長さの８倍以下（４．７倍）となっている。

以上のことから、各実施の形態１〜４のレーザー投射装置ＰＪは、以下の条件式（２）を満足することが望ましいと言え、条件式（２ａ）を満足することがさらに望ましいと言える。条件式（２）を満足することにより、光線分離を確実に行いながら、光線分離に必要な距離をミラー部１０のＶ方向の長さの１０倍以下にして、装置を薄型化することが可能となる。また、条件式（２ａ）をさらに満足することにより、光線分離に必要な距離をミラー部１０のＶ方向の長さの８倍以下にして、折り返しミラーの設置スペースを確保しながら装置を薄型化することが可能となる。
θin／θscan(V) ＞１．５ ・・・（２）
θin／θscan(V) ＞２ ・・・（２ａ）

なお、走査型のレーザー投射装置ＰＪにおいて、スクリーンＳＣ上でのスポットサイズの最小値は、絞り面（偏向装置３のミラー部１０が絞りを兼ねている場合が多い）の径で決定するため、Ｖ方向の画像の解像度はθscan(V) から決定される。ミラー部１０が絞りを兼ねている場合、ミラー部１０の直径は１〜２ｍｍ程度であるので、ＶＧＡやＸＧＡを実現しようとすると、θscan(V) は５°以上となる。そうすると、条件式（２）より、θinは１．５×θscan(V) ＝７．５°よりも大きければよいことになる。

（６．走査歪みを抑える構成について）
偏向装置３によってスクリーンＳＣを２次元に走査すると、走査に伴う下向きに凸型の歪曲、すなわち、スクリーンＳＣ上でＨ方向の１ラインが湾曲する走査歪みが発生する。この走査歪みは、斜め投射角度が大きくなるほど、つまり、画面上部において顕著に現れる。また、図２１は、θinと走査歪みとの関係を示すグラフであるが、θinが増大すると、走査歪みも増大することが分かる。なお、図２１における走査歪みは、図１４において、投影画面の画面中心を通るＶ方向の長さをＡ（ｍｍ）とし、投影画面の画面中心を通るＶ方向の最上部と画面右上（または左上）の角部とのＶ方向の距離をａ（ｍｍ）としたときの以下の式で算出している。
走査歪み（％）＝（ａ／Ａ）×１００

ここで、図２２〜図２５は、台形歪みが最小となるときの投影画面の歪曲図であって、θin＝２０°、２５°、３５°、４０°のときの歪曲図をそれぞれ示している。なお、これらの図では、投影画面の右半分の歪曲のみを示しているが、全画面では左右対称の歪曲である。また、横軸（Ｘ軸）はＨ方向に対応しており、縦軸はＶ方向に対応している。これらの図より、θin＝２０°、２５°、３５°では走査歪みは小さいが、θin＝４０°では走査歪みが大きく、良好な投影画像が得られないと言える。

以上のことから、各実施の形態１〜４のレーザー投射装置ＰＪは、以下の条件式（３）を満足することが望ましいと言える。この条件式（３）を満足することにより、投影画面の走査歪みが顕著に現れるのを抑えることができる。
θin≦３５° ・・・（３）

以上より、条件式（２）（２ａ）（３）をまとめると、θinに関する条件式は、以下のように表現することもできる。
１．５×θscan(V) ＜θin≦３５°
２ ×θscan(V) ＜θin≦３５°

（７．投影画面の縦横比について）
各実施の形態１〜４のレーザー投射装置ＰＪは、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。すなわち、
１．１＜cos(θin)×θscan(H) ／θscan(V) ＜１．５ ・・・（４）
である。その理由は以下の通りである。

図２６は、cos(θin)×θscan(H) ／θscan(V) の値と投影画面の縦横比との関係を示すグラフである。同図より、cos(θin)×θscan(H) ／θscan(V) の値が１．１を下回ると、投影画面が縦長になる。この場合、通常の横長の画像（例えば縦：横＝３：４）を投影するためには、投影画面の上下を切り取って使用することになり、投影画面全体を有効に利用することができない。一方、cos(θin)×θscan(H) ／θscan(V) の値が１．５を上回ると、投影画面の画面サイズが縦方向よりも横方向で長くなりすぎて、通常の横長の画像を投影する場合でも、投影画面の左右を切り取って使用することになり、やはり、投影画面全体を有効に利用することができない。したがって、条件式（４）を満足することにより、投影画面の縦横比を良好にして、投影画面全体を有効に利用することが可能となる。特に、通常の横長の画像の縦横比（３／４（＝０．７５））は、条件式（４）の上限および下限に対応する範囲内（０．６５〜１．０）に入っているので、通常の横長の画像を投影する場合でも、投影画面全体を有効に利用することができる。

（８．実施例について）
次に、各実施の形態１〜４のレーザー投射装置ＰＪの実施例について、実施例１〜４として、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。なお、実施例１〜４は、各実施の形態１〜４にそれぞれ対応する数値実施例であり、各実施の形態１〜４を表す光学構成図（図１〜図８）は、対応する実施例１〜４にもそのまま適用される。

なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝１，２，３，・・・）は、入射光学系２の集光レンズの光入射面を基準面（Ｓ１）とし、そこからスクリーンＳＣ側に向かってｉ番目の面を示している。また、各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度α（Ｘ回転tilt）および必要に応じて回転角度β（Ｙ回転tilt）の各面データでそれぞれ特定される。面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されており（単位はｍｍとする）、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度（°）およびＹ軸回りの回転角度（°）で面Ｓｉの傾きが表されている。

なお、Ｘ軸の進行方向に向いたときに（負側から正側に向いたときに）反時計回りの方向が、Ｘ軸回りの回転角度の正方向とする。また、Ｙ軸の進行方向に向いたときに（負側から正側に向いたときに）時計回りの方向が、Ｙ軸回りの回転角度の正方向とする。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、基準面（Ｓ１）のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。

なお、Rは、曲率半径（ｍｍ）を示しており、Ndおよびνdは、ｄ線に対する屈折率およびアッベ数をそれぞれ示している。また、全ての実施例１〜４において、偏向装置３はＨ方向に正弦駆動、Ｖ方向に線形駆動するものとしている。ただし、Ｈ方向については、１周期の走査時間のうち７５％を使用し、Ｖ方向については、１周期の走査時間のうちの９０％を使用するものとした。また、各実施例１〜４のデータにおいて、偏向装置３の偏心データは、偏向装置３の偏向角が、Ｈ方向およびＶ方向について０°の場合の値を示している。

また、図２７〜図３０は、各実施例１〜４における偏向装置３のミラー部１０への入射光と反射光の光路をそれぞれ模式的に示す説明図である。なお、同図の縦軸は偏向装置３のミラー部１０のＶ方向の長さ（ｍｍ）を示し、横軸は、光線分離に必要な距離（ｍｍ）を示している。各実施例１〜４では、θscan(V) の値は同じ５．４°であるが、θinの値が互いに異なっている。具体的には、各実施例１〜４でのθinは、図２７〜図３０の図中および後述する表２に示す通りである。なお、これらの図において、偏向されたレーザー光が通過する領域とは、ミラー部１０によってθscan(V) ＝±５．４°の範囲内でレーザー光を偏向したときに、偏向されたレーザー光が通過する領域を示す。

ミラー部１０のＶ方向の長さをＬ１＝１．５（ｍｍ）とし、光線分離に必要な距離をＬ２（ｍｍ）としたとき、各実施例１〜４ごとのＬ２およびＬ２／Ｌ１の値は、表１に示す通りである。表１より、各実施例１〜４では、Ｌ２／Ｌ１の値は、折り返しミラーの設置を考慮したときの上述した値（Ｌ２／Ｌ１＝８）よりも確実に小さい値であり、装置の薄型化が確実に達成されていることが分かる。

また、表２は、各実施例１〜４での各パラメータ（条件式を含む）の値を示している。表２より、各実施例１〜４のレーザー投射装置ＰＪは、上述した各種の条件式を全て満足していることが分かる。なお、表２中のθscan(H)_all、θscan(V)_allは、それぞれ、偏向装置３のミラー部１０の機械走査角度の最大値（絶対値）を示している。つまり、実際の投影では、その範囲内の角度をθscan(H) 、θscan(V) として使用している。

なお、以上では、レーザー投射装置ＰＪを机上に置き、スクリーンＳＣに対してレーザー光を下から投射することを想定しているが、例えばレーザー投射装置ＰＪを天井に固定して、スクリーンＳＣに対してレーザー光を上から投射する場合でも、本発明の効果を得ることができる。

本発明は、レーザー光源からの光を偏向して被投射面を２次元に走査する偏向装置を用いて、被投射面に２次元画像を表示するレーザー投射装置に利用可能である。

１ レーザー光源
３ 偏向装置
４ 打ち上げミラー
５ 打ち下ろしミラー
１０ ミラー部（反射部材）
５１ 圧電素子
５２ 圧電素子
５３ 圧電素子
５４ 圧電素子
ＳＣ スクリーン（被投射面）

Claims (10)

1. レーザー光源と、
   前記レーザー光源からの光を反射部材によって互いに直交する第１の走査方向および第２の走査方向に偏向して被投射面を２次元に走査する偏向装置とを備え、前記偏向装置の偏向状態に応じて前記レーザー光源の出力を調整することにより、前記被投射面に２次元画像を表示するレーザー投射装置であって、
   前記偏向装置の第１の走査方向の走査速度は、第２の走査方向の走査速度よりも速く、
   前記偏向装置は、前記レーザー光源からの光を偏向することにより、前記被投射面に対して第２の走査方向において斜めから投射し、
   前記レーザー光源からの光線が前記偏向装置にて偏向されて前記被投射面の画面中心に入射するときの前記偏向装置の偏向状態を画面中心表示状態とし、第２の走査方向において、前記偏向装置にて偏向された光線の前記被投射面への入射角度が小さいほうから大きいほうに向かう方向を正としたとき、
   前記レーザー光源からの光は、前記偏向装置に対して第２の走査方向の負側から入射し、
   前記画面中心表示状態における前記偏向装置の前記反射部材の法線は、前記被投射面の法線に対して第２の走査方向の負側に傾いていることを特徴とするレーザー投射装置。
2. 前記第２の走査方向は、鉛直方向であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー投射装置。
3. 以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー投射装置；
   ０．２５＜θmems／θin＜０．７５ ・・・（１）
   ただし、
   θmems；画面中心表示状態における前記偏向装置の前記反射部材
   の法線と前記被投射面の法線とが第２の走査方向でなす
   角度
   θin ；画面中心表示状態において前記レーザー光源からの主光
   線が前記偏向装置の前記反射部材に入射するときの第２
   の走査方向の入射角度
   である。
4. 以下の条件式（１ａ）をさらに満足することを特徴とする請求項３に記載のレーザー投射装置；
   ０．３＜θmems／θin＜０．７ ・・・（１ａ）
   である。
5. 前記レーザー光源の光の射出方向は、画面中心表示状態における前記偏向装置の前記反射部材の法線方向と直交しており、
   前記レーザー光源からの光をねじれた方向に打ち上げる打ち上げミラーと、
   前記打ち上げミラーにて打ち上げられた光を前記偏向装置に打ち下ろす打ち下ろしミラーとをさらに備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザー投射装置。
6. 前記偏向装置は、圧電素子への電圧印加によって前記反射部材を回動させることにより、前記反射部材に入射する前記レーザー光源からの光を偏向する圧電駆動方式で駆動されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザー投射装置。
7. 以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザー投射装置；
   θin／θscan(V) ＞１．５ ・・・（２）
   ただし、
   θin ；画面中心表示状態において前記レーザー光源からの主光
   線が前記偏向装置の前記反射部材に入射するときの第２
   の走査方向の入射角度
   θscan(V) ；前記偏向装置の画面中心表示状態からの第２の走
   査方向の機械走査角度
   である。
8. 以下の条件式（２ａ）をさらに満足することを特徴とする請求項７に記載のレーザー投射装置；
   θin／θscan(V) ＞２ ・・・（２ａ）
   である。
9. 以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項７または８に記載のレーザー投射装置；
   θin≦３５° ・・・（３）
   である。
10. 以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のレーザー投射装置；
    １．１＜cos(θin)×θscan(H)／θscan(V)＜１．５・・・（４）
    ただし、
    θin ；画面中心表示状態において前記レーザー光源からの主光
    線が前記偏向装置の前記反射部材に入射するときの第２
    の走査方向の入射角度
    θscan(H) ；前記偏向装置の画面中心表示状態からの第１の走
    査方向の機械走査角度
    θscan(V) ；前記偏向装置の画面中心表示状態からの第２の走
    査方向の機械走査角度
    である。

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