(57)【要約】  本画像表示装置は、光源１０１、１０２、１０３から出射されたレーザビームを走査して被投射面に画像を形成する画像表示装置であり、レーザビームのビームウエストを生成するレーザビーム径変換光学系１０４と、レーザビームを走査させる水平走査手段１０６および垂直走査手段１０７とを有する。ビーム径変換光学系１０４は、走査手段１０６、１０７のビーム偏向部であるミラー２６の位置におけるビーム径がミラー径の大きさより小さくなるように調整する。また、ビーム径変換光学系１０４は、第１の被投射面１１２と第２の被投射面１１３の間にある投射範囲１１８において常に、ビーム径１１４，１１６に相当する強度半値全幅を画素ピッチ１１５，１１７より小さくなるような、ビームウエスト１１０を生成する。
2008053862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射されたレーザビームを走査して被投射面に画像を形成する走査手段と、
前記走査手段のビーム偏向部の位置における前記レーザビームのビーム径を前記ビーム偏向部の大きさより小さくし、かつ前記レーザビームのフレネル回折積分による強度分布が画素ピッチより小さくなるようにビームウエストの位置および前記ビームウエストの径を規定するレーザビーム径変換光学系とを有する画像表示装置。
【請求項２】
前記ビーム偏向部は共振型マイクロメカニカルミラーである、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記ビームウエストの位置は、前記被投射面の存在する投射距離の範囲内にある、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記ビームウエストの位置は、前記ビーム偏向部の位置と同一である、請求項３に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記走査手段は凸面鏡および凹面鏡のいずれか一方を有し、アフォーカル系を構成する、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記レーザビームの前記ビーム径は強度半値全幅である、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記レーザビームは基本ガウシアンビームである、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記画素ピッチは前記被投射面における水平画面サイズを水平画素数で割った値である、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記画素ピッチは前記被投射面における垂直画面サイズを垂直画素数で割った値である、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記光源は前記被投射面の形状に応じてレーザ強度を変調する、請求項１に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出射されたレーザビームを走査して画像を形成する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ライトバルブ等としてインコヒーレント光を発光するハロゲンランプや高圧水銀ランプなどを用い、投射レンズでスクリーンに拡大投影する投射型画像装置に関する研究開発が盛んになってきている。しかし、本発明に関連する投射型画像装置、画像投影装置では、自然放出によるインコヒーレント光を使用しているため、電力消費が大きく、輝度が小さいという問題があった。また、インコヒーレント光源は赤色、緑色、青色、各光源の波長帯域が広いため、色度域の広いディスプレイを実現することが困難であるという問題があった。低消費電力で輝度が大きく、色度域の広いディスプレイを実現する方法としては、光源にコヒーレント光を発するレーザ光を用いた画像表示装置の研究開発が行われている。【０００３】
コヒーレント光源としてレーザ光を用いた画像投射装置として特開平１１−３０５７１０号公報が開示されている。図１Ａはコヒーレント光源を用いた本発明に関連する画像投射装置について説明するための図である。特開平１１−３０５７１０号公報に開示された画像投射装置では、図１Ａに示すとおり、赤色（Ｒ）パルスレーザ１、緑色（Ｇ）パルスレーザ２、青色（Ｂ）パルスレーザ３から発するレーザ光をダイクロイックプリズム４で合成する。合成された光をインテグレータ５で光量の面内均一化をした後、光変調素子（ライトバルブ）６を照明する。そして、プロジェクションレンズ７により光変調素子（ライトバルブ）の像をスクリーン８上に投射することでカラー画像が表示される。【０００４】
しかしながら、コヒーレント光源としてレーザ光を用いた画像投射装置において、プロジェクションレンズを用いた結像系の場合、プロジェクションレンズの焦点深度内でのみでしかピントが合わない。このため、使用者はスクリーン位置に応じてピント調節を行わなければならない。このことは可搬性、携帯性を備えた投射型画像表示装置を使用する際の利便性を損ねてしまうという問題があった。【０００５】
ある程度の投射範囲において使用者がピント調節を必要としない方式として、直進するレーザビームを走査して画像を投射して表示する投射型表示装置（例えば特開２００３−２１８００号公報）が開示されている。図１Ｂはレーザビームを走査して画像を投射して表示する、本発明に関連する投射型表示装置の一例について説明するための図である。特開２００３−２１８００号公報に開示された投射型表示装置では、図１Ｂに示すとおり、赤色、緑色、青色の各色の光源１１、１２、１３から出射するレーザビームを色合成素子１４で合成する。合成された光は、その後、コリメータレンズ１５によりレーザビームのビームウエストが画素１９として被投射面付近１８に来るように平行化され、次いで、水平方向及び垂直方向の光走査を行う走査する光走査素子１６及び１７により２次元走査することでカラー画像が表示される。
【発明の開示】
【０００６】
レーザビームを走査して画像を投射して表示する投射型表示装置において、被投射面位置にビームウエストを位置させるには、図２Ａに示すように、ビームウエスト２１におけるビーム径Ａ２２より大きな径（ビーム径Ｂ２３）を持つレーザビームを、投射距離２４だけ伝播させて被投射面２５上に絞り込んで平行化する必要がある。
【０００７】
図２Ｂに示すように、投射距離５０ｃｍにおいて水平８００ｍｍ、垂直６００ｍｍの画面サイズで水平８００画素、垂直画素６００の画像を表示するため、レーザビームを、強度半値全幅において１０００μｍに絞り込んで平行化するには、光走査素子の位置におけるビーム径はフレネル回折積分による計算で１０１０μｍとなる（波長６５０ｎｍの基本ガウシアンビームの場合）。
【０００８】
ここで、光走査素子にマイクロメカニカルミラーを使用したとする。この場合、例えば、単結晶シリコン基板による共振型マイクロメカニカルミラーは、ミラーサイズが１２００μｍで、約１８ＫＨｚの応答性を有し、この条件で水平８００画素、垂直画素６００画素、画面更新周波数６０Ｈｚの映像表示まで対応できる（非特許文献１「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ａ  Ｂｉａｘｉａｌ  ＭＥＭＳ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｃａｎｎｅｒ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ  ４１７８，ｐｐ．１８６−１９６」を参照）。
【０００９】
ただし、さらなる高精細化のために、図２Ｃに示すように、例えば、図２Ｂに示した場合の１．７倍の垂直精細度（水平１２８０画素、垂直画素１０２４）を得るためには、レーザビームを５０ｃｍの伝播距離を経て、強度半値全幅において５４０μｍまで絞り込んで平行化する必要がある。この場合、光走査素子の位置におけるビーム径はフレネル回折積分による計算で６００μｍとなる。高精細画像表示にはミラーの走査速度の高速化が必要となるが、そのためにはミラーを小型化しなければならない。
【００１０】
ここで、一般的な力学的考察より、ミラーの慣性モーメントはミラーの振動方向の大きさの３乗に反比例し、共振周波数は慣性モーメントの１／２乗に比例する。このことから、共振周波数はミラーの振動方向の大きさの３／２乗に反比例する。
【００１１】
そのため、例えば、精細度を１．７倍にすると走査周波数も１．７倍必要となる。そうするとミラーの振動方向の大きさは少なくとも１．７の逆数の３／２乗である０．４５倍以下にしなければならない。つまり、ミラーの振動方向の大きさは５４０μｍ以下にする必要がある。
【００１２】
しかしながら、この場合、図２Ｂの場合と同等のミラー２６のマージン（約１．２倍）を確保しながら、高精細画像表示に対応できないという問題があった。すわなち、図２Ｂの場合（水平８００画素、垂直画素６００）、光走査素子の位置におけるビーム径が１０１０μｍであるのに対し、ミラーサイズは１２００μｍであるため、ビーム径に対するミラーのマージンを約１．２倍確保することができた。一方、これより１．７倍の垂直精細度（水平１２８０画素、垂直画素１０２４）の場合、ビーム径は６００μｍであるのに対し、ミラーサイズが５４０μｍ以下となってしまい、ミラーサイズがビーム径を下回ってしまい、所望の画像を形成することができない。
【００１３】
図３は垂直画素数とミラー面におけるビーム径およびミラー径の関係を示したグラフである。図３におけるミラー面におけるビーム径３１とミラー径３２は点Ａ３３で大きさ関係が逆転している。この例の場合、ビーム径がミラー径より小さくなる限界の垂直解像度は８００画素となる。
【００１４】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、小型の走査素子で精細度の大きな画像を表示する画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、光源から出射されたレーザビームを走査して被投射面に画像を形成する走査手段と、走査手段のビーム偏向部の位置におけるレーザビームのビーム径をビーム偏向部の大きさより小さくし、かつレーザビームのフレネル回折積分による強度分布が画素ピッチより小さくなるようにビームウエストの位置およびビームウエストの径を規定するレーザビーム径変換光学系とを有する。
【００１６】
上記の通り、本発明のレーザビーム径変換光学系は、走査手段のビーム偏向部の位置におけるレーザビームのビーム径をビーム偏向部の大きさより小さくしているのでビーム偏向部のビーム径に対するミラーのマージンを確保することができる。また、本発明のレーザビーム径変換光学系は、これに加えてビームウエストの位置およびビームウエスト径をフレネル回折積分による強度分布が画素ピッチより常に小さくなるように規定しているので、被投射面において画素間におけるオーバーラップが生じるのを防止できる。
【００１７】
また、本発明の画像表示装置のビーム偏向部は共振型マイクロメカニカルミラーであってもよい。
【００１８】
また、本発明の画像表示装置におけるビームウエストの位置は、被投射面の存在する投射距離の範囲内にあってもよいし、ビーム偏向部の位置と同一であってもよい。
【００１９】
また、本発明の画像表示装置の走査手段は凸面鏡および凹面鏡のいずれか一方を有し、アフォーカル系の構成するものであってもよい。
【００２０】
また、本発明のレーザビームのビーム径は強度半値全幅であってもよい。また、レーザビームは基本ガウシアンビームであってもよい。
【００２１】
また、本発明における画素ピッチは被投射面における水平画面サイズを水平画素数で割った値としてもよいし、あるいは被投射面における垂直画面サイズを垂直画素数で割った値としてもよい。
【００２２】
また、本発明の画像表示装置は、光源が被投射面の形状に応じてレーザ強度を変調するものであってもよい。
【００２３】
本発明によれば、高速化のため、走査手段のビーム偏向部を小型化しても、ビーム偏向部のビーム径に対するミラーのマージンを確保しながら、画素間におけるオーバーラップのない鮮明な画像表示が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】コヒーレント光源を用いた、本発明に関連する画像投射装置の一例について説明するための図である。
【図１Ｂ】コヒーレント光源を用いた、本発明に関連する画像投射装置の他の例について説明するための図である。
【図２Ａ】ビームウエストにおけるビーム径Ａより大きなビーム径Ｂを持つレーザ光を用いた、本発明に関連する画像表示装置について説明するための図である。
【図２Ｂ】所定の投射距離、画面サイズ及び画素数の画像を表示する場合に、レーザビームを強度半値全幅において所定の値に絞り込んで平行化するための、光走査素子の位置におけるビーム径を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｂに示した場合の１．７倍の垂直精細度を得るための、光走査素子の位置におけるビーム径を示す図である。
【図３】垂直画素数とミラー面におけるビーム径およびミラー径の関係を示したグラフである。
【図４】本発明の画像表示装置の第１の実施形態を示す俯瞰図である。
【図５Ａ】２つの凸レンズを組み合わせたビーム径変換光学系の構成を示す図である。
【図５Ｂ】凸レンズと凹レンズを組み合わせたビーム径変換光学系の構成を示す図である。
【図５Ｃ】垂直走査手段を凹面鏡とし、凸レンズ１２１と組み合わせたビーム径変換光学系の構成を示す図である。
【図５Ｄ】垂直走査手段を凸面鏡とし、凸レンズ１２１と組み合わせたビーム径変換光学系の構成を示す図である。
【図６Ａ】基本ガウシアンビームの伝播距離とビーム径の関係を説明するための図である。
【図６Ｂ】基本ガウシアンビームの伝播距離とビーム径の関係を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における、画角を示すための図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における、垂直画素数とミラー面におけるビーム径およびミラー径の関係を示したグラフである。
【図９Ａ】本発明の第１の実施形態のビーム径変換光学系における、ビームウエスト位置におけるビーム径を示す図である。
【図９Ｂ】所定の投射距離における画素ピッチとビーム強度半値全幅との関係を示す模式図である。
【図９Ｃ】図９Ｂの例よりも投射距離が遠い場合の、画素ピッチとビーム強度半値全幅との関係を示す模式図である。
【図９Ｄ】図９Ｃの例よりも投射距離が遠い場合の、画素ピッチとビーム強度半値全幅との関係を示す模式図である。
【図１０Ａ】本発明の第２の実施形態における画像表示装置を傾斜平面スクリーンに適用した場合の例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第２の実施形態における画像表示装置を曲面スクリーンに適用した場合の例を示す図である。
【図１０Ｃ】傾斜平面スクリーンにおける、画素間隔が一定となる画素サンプル点を模式的に示す図である。
【図１０Ｄ】曲面スクリーンにおける、画素間隔が一定となる画素サンプル点を模式的に示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
図４は本実施形態の画像表示装置を示す俯瞰図である。【００２６】
本実施形態の画像表示装置は、赤色レーザ光源１０１、緑色レーザ光源１０２、青色レーザ光源１０３、ビーム変換光学系１０４と、色合成光学系１０５と、水平走査手段１０６と、垂直走査手段１０７とを有する。赤色レーザ光源１０１、緑色レーザ光源１０２、青色レーザ光源１０３はそれぞれ基本ガウシアンビーム（ＴＥＭ００モード）を出力する。赤色、青色、緑色、それぞれのレーザ光源から出射されたレーザビームは、ビーム径変換光学系１０４を経て、色合成光学系１０５で合成された後、水平走査手段１０６および垂直走査手段１０７を通過する。【００２７】
ビーム径変換光学系１０４は、水平走査手段１０６と、垂直走査手段１０７とのビーム偏向部であるミラー２６におけるビーム径３１がミラー径３２より小さくなるようにビーム径３１を調整する（図９Ａ参照）。また、ビーム径変換光学系１０４は、第１の被投射面１１２と第２の被投射面１１３の間にある投射範囲１１８において、常に、ビーム径１１４、１１６に相当する強度半値全幅が画素ピッチ１１５，１１７より小さくなるような、ビームウエスト１１０を生成する。ビームウエスト１１０は図４に示すように、水平走査手段１０６のビーム偏向部の位置に生成される。【００２８】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄは、ビーム径変換光学系１０４の構成を示す図である。【００２９】
ビーム径変換光学系は、図５Ａに示すように、焦点距離がｆ１の凸レンズ１２１とｆ２の凸レンズ１２２を組み合わせたアフォーカル系で構成されている。ここで、平行レーザビームをビーム径変換光学系に入射させると、ビーム径がｆ２／ｆ１の倍率で変換される。【００３０】
また、ビーム径変換光学系は図５Ｂに示すように、焦点距離ｆ１の凸レンズ１２１と焦点距離ｆ２の凹レンズ１２３を組み合わせた構成でもよい。さらに、ビーム径変換光学系は、図５Ｃに示すように、垂直走査手段を焦点距離ｆ２の凹面鏡（垂直走査素子）１２４ａとし、焦点距離ｆ１の凸レンズ１２１と組み合わせた構成としてもよい。また、ビーム径変換光学系は、図５Ｄに示すように、垂直走査手段を焦点距離ｆ２の凸面鏡（垂直走査素子）１２４ｂとし、焦点距離ｆ１の凸レンズ１２１と組み合わせた構成としてもよい。図５Ｃ、図５Ｄに示す構成は、レーザビームを凸レンズ１２１で収束させている。このため、これらの構成は、水平走査手段１２５をさらに小型化でき、高速対応することが可能となり、高解像度の画像表示が可能となる。なお、凹面鏡１２４ａおよび凸面鏡１２４ｂは水平走査素子に用いても良い。【００３１】
ここで、図６Ａ、図６Ｂを用いて、基本ガウシアンビームの伝播距離とビーム径の関係について説明する。【００３２】
レーザの基本ガウシアンビームのビーム径は図６Ａに示すように、フレネル回折積分で計算され、伝播距離にしたがって広がる。ここで、レーザの伝播距離をｚ、ビームウエスト位置をｚ＝０、ビームウエスト半径（振幅値が最大値に対し１／ｅまで落ちる距離）をω０（符号１３１）とすると、伝播距離ｚ（符号１３３）とビーム半径ω（符号１３２）との間には下記数式１、数式２の関係が成り立つ。ここで、λはレーザ光の波長、πは円周率である。さらに、強度（振幅の２乗）が最大値に対し１／２まで落ちる距離、即ちビーム強度半値全幅をＤとすると、ガウス関数の２乗分布から数式３が成立する。【００３３】
ω２＝  ω０２・｛１＋（ｚ／ａ）２｝      ・・・（１）
ａ＝π・ω０２／λ                      ・・・（２）
Ｄ＝ω・（−２・ｌｎ（０．５））０．５  ・・・（３）
上記数式１ないし数式３より、ビーム半径ω（ビーム強度半値全幅Ｄ）は伝播距離ｚに応じて変化する。また、図６Ａに示すように、ビーム半径ω（ビーム強度半値全幅Ｄ）は、ビームウエスト半径が小さい場合には、伝播距離ｚが進むにつれ広がりが大きくなる。一方、図６Ｂに示すように、ビーム半径ω（ビーム強度半値全幅Ｄ）は、ビームウエスト半径が大きい場合には、伝播距離ｚが進んでも、広がりがりにくい。【００３４】
つまり、ミラーのマージンを確保しようとしてミラーサイズよりもビームウエストを小さくしすぎると、ビーム半径ω（ビーム強度半値全幅Ｄ）は伝播距離ｚが進むにつれ広がりが大きくなってしまう。その結果、画素ピッチ内にビームが収まらず、隣接するビームとオーバーラップしてしまい鮮明な画像が得られない。【００３５】
一方、伝播距離ｚが進んでもビーム径が広がりすぎないようにしようと、ビームウエストを大きくしすぎると、ミラーのマージンが確保できないこととなるのでミラーサイズよりもビーム径が大きくならない点が限界点となる。その結果、所望の高精細画像を得ることができない。【００３６】
本発明は、このような基本ガウシアンビームの性質を踏まえ、ビーム強度半値全幅Ｄが、伝播距離ｚにおいて、所望画素ピッチ、即ち水平画面サイズを水平画素数で割った値若しくは垂直画面サイズを垂直画素数で割った値以下になるように、ミラー面におけるビーム径（ｚ＝０におけるビーム強度半値全幅Ｄ）を決定した。【００３７】
図７は本実施形態における、画角を示すための図である。【００３８】
図７に示すように、本実施形態における画角は、投射距離５０ｃｍにおいて画面サイズが水平８０ｃｍ、垂直６０ｃｍとした。また、投射距離５０ｃｍ以上において、ビーム半値全幅が垂直画面サイズ６０ｃｍを垂直画素数で割った値以下になるようにミラー面におけるビーム径（ｚ＝０におけるビーム強度半値全幅Ｄ）を決定した。【００３９】
図８は、本実施形態における垂直画素数とミラー面におけるビーム径およびミラー径の関係を示したグラフである。【００４０】
図８に示すとおり、本実施形態の場合、垂直画素数が１２００画素程度まで、ミラー径３２はミラー面におけるビーム径３１に対しマージンを保つことができる。このため、本実施形態は、図２で示した、本発明に関連する方式のように垂直画素数が８００画素でビーム径がミラー径より小さくなる、という問題を解決することができる。【００４１】
図９Ａ−図９Ｄは本実施形態において、高解像表示を行った場合の表示結果を示す図である。【００４２】
画像精細度は水平１２８０画素、垂直１０２４画素である。また、画面サイズは、投射距離５０ｃｍにおいて水平８０ｃｍ、垂直６０ｃｍ（図９Ｂ）、投射距離１００ｃｍにおいて水平１６０ｃｍ、垂直１２０ｃｍ（図９Ｃ）、投射距離２００ｃｍにおいて水平３２０ｃｍ、垂直２４０ｃｍ（図９Ｄ）とした。このとき、図９Ａに示すように、ビームウエスト位置（ミラー面）におけるビーム径３１（ビーム強度半値全幅）が赤色（波長６５０ｎｍ）において４１２μｍとなるようなビームを生成するビーム径変換光学系を用いた。【００４３】
赤色レーザ光源１０１はビーム径がビーム強度半値全幅で５００μｍの平行ビームであり、ビーム径変換光学系（図５Ａ）の入射側凸レンズの焦点距離は５ｍｍ、出射側凸レンズの焦点距離は４．１２ｍｍのものを使用した。【００４４】
緑色レーザ光源１０２および青色レーザ光源１０３におけるビーム径変換光学系は、赤色レーザ光源１０１の場合と同様に、数式１ないし数式３から求められる結果から得られるビーム強度半値全幅を生成するようにした。【００４５】
なお、赤色レーザ光源１０１には６５０ｎｍの半導体レーザを用いた。緑色レーザ光源１０２には、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を赤外半導体レーザで励起して得られた１０６４ｎｍの赤外光の第２高調波である５３２ｎｍで発振する半導体レーザ励起固体レーザを用いた。青色レーザ光源１０３には４４０ｎｍの半導体レーザを用いた。また、赤色レーザ光源１０１、青色レーザ光源１０３では、半導体レーザの光出射端直後にコリメータレンズを取り付けてビーム径５００μｍの平行ビームを生成した。【００４６】
水平走査には、共振型マイクロメカニカル走査素子を往復走査で使用し、振れ角±１９．３度、周波数３１ＫＨｚで駆動させた。垂直走査にはガルバノミラーを用い、６０Ｈｚのノコギリ波駆動を行った。【００４７】
共振型マイクロメカニカル走査素子のサイズは３１ＫＨｚの駆動に耐えられるようにミラー径３２が５４０μｍの円形のミラー２６を用いた。ガルバノミラーの直径は直径１２００μｍの円形ミラーを用いた。【００４８】
レーザは、走査素子と同期して１２．７ｎｓ毎に強度変調を行い、画素値に応じた輝度の光を発するようにした。【００４９】
この条件でレーザビームを投射すると、図９Ａに示すように、投射距離５０ｃｍにおけるビーム強度半値全幅は５４０μｍ、投射距離１００ｃｍにおけるビーム強度半値全幅は８１０μｍ、投射距離２００ｃｍにおけるビーム強度半値全幅は１４５２μｍとなった。一方、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄに示すように、レーザビーム強度半値全幅は、５０ｃｍ、１００ｃｍ、２００ｃｍそれぞれの投射距離に応じた画素ピッチである５４６μｍ、１１７１μｍ、２３４３μｍである。【００５０】
すわなち、本実施形態によれば、各投射距離における画素ピッチよりもビーム強度半値全幅を小さくすることができた。つまり、投射距離５０ｃｍにおける画素ピッチ５４６μｍに対してビーム強度半値全幅は５４０μｍと小さい。また、投射距離１００ｃｍにおける画素ピッチ１１７１μｍに対してビーム強度半値全幅は８１０μｍと小さい。さらに、投射距離２００ｃｍにおける画素ピッチ２３４３μｍに対してビーム強度半値全幅は１４５２μｍと小さい。【００５１】
このように本実施形態によれば、投射距離５０ｃｍから２００ｃｍの投射範囲において、常に画素間のおけるオーバーラップのない鮮明な画像が得られた。【００５２】
また、この条件において、共振型マイクロメカニカル走査素子のミラー２６のミラー径５４０μｍはビーム系３１（ビーム強度半値全幅）４１２μｍの約１．３倍を確保できた。つまり、本発明に関連する技術では、ビーム径がミラー径より小さくなる限界の垂直解像度は８００画素であったのに対し、本発明では垂直解像度が１０２４画素であっても本発明に関連する技術における垂直解像度６００画素と同等のミラーの開口制限に対するマージンを持たせることが可能となった。これにより、ビームスポットに乱れの少ない鮮明な画像を表示できた。【００５３】
以上の本実施形態によるビーム径変換光学系をレーザ走査型の画像表示装置に適用したところ、高精細度化のため走査素子のミラーを小型化しても、ビーム径に対するミラーのマージンを確保しつつ、所定の投射範囲において、使用者がピント調節をせずとも画素間でオーバーラップがない鮮明な画像が得られた。
（第２の実施形態）【００５４】
図１０Ａ−図１０Ｄに本実施形態の画像表示装置による表示状況を示す。本実施形態は第１の実施形態の画像表示装置を用いて、傾斜斜面スクリーン、および曲面スクリーンに投射した場合の適用例である。【００５５】
本実施形態において、図１０Ａに示す傾斜平面スクリーン１６２および図１０Ｂに示す曲面スクリーン１６３に投射した。【００５６】
本実施形態において、画像表示装置１６１の画素数は水平１２８０画素、垂直１０２４画素である。また、スクリーンは高さ２４０ｃｍ、幅３２０ｃｍであり、投射距離範囲は５０ｃｍから２００ｃｍである。この条件において、常時鮮明な画像が得られる条件として、ビームウエスト位置におけるビーム強度半値全幅が赤色（波長６５０ｎｍ）において４１２μｍとなるようなビームを生成するビーム径変換光学系を用いた。【００５７】
レーザ走査系は、第１の実施形態の水平走査手段１０６および垂直走査手段１０７と同じ構成であり、共振型マイクロメカニカル走査素子は直径５４０μｍ、ガルバノミラーは直径１２００μｍの円形ミラーとした。【００５８】
また、本画像表示装置において、スクリーン形状は既知であるとして、図１０Ｃ、図１０Ｄに示すように水平および垂直走査に対し、画素間隔が一定となる画素サンプル点１６５にてレーザ強度を変調した。【００５９】
この条件で、投射距離５０ｃｍにおけるビーム強度半値全幅は５４０μｍ、投射距離２００ｃｍにおけるビーム強度半値全幅は１４５２μｍとなった。各距離におけるビーム強度半値全幅はいずれもそれぞれの投射距離に応じた画素ピッチである５４０μｍ、２３４３μｍより小さくなった。よって、傾斜平面スクリーンや曲面スクリーンに対しても、投射距離５０ｃｍから２００ｃｍの投射範囲においては、常に画素間のおけるオーバーラップのない鮮明な画像が得られることが確認された。【００６０】
また、この条件において、共振型マイクロメカニカル走査素子のミラー直径５４０μｍはビーム強度半値全幅４１２μｍの約１．３倍を確保できた。つまり、従来の技術では、ビーム径がミラー径より小さくなる限界の垂直解像度は８００画素であったのに対し、本発明では垂直解像度が１０２４画素であっても従来の技術における垂直解像度６００画素と同等のミラーの開口制限に対するマージンを持たせることが可能となった。これにより、ビームスポットに乱れの少ない鮮明な画像を表示できた。【００６１】
以上、各実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。【００６２】
なお、ビーム径変換光学系１０４で生成されるビームウエスト１１０の位置は、水平走査手段１０６のビーム偏向部（ミラー等）におけるビーム強度半値全幅がビーム偏向部（ミラー等）より大きく、かつ使用する投射距離範囲におけるビーム強度半値全幅が画素ピッチより小さければ、水平走査素子位置から被投影面方向に進んだ位置でもよい。【００６３】
本発明のビーム径変換光学系１０４における凸レンズ、凹レンズ、凸面鏡、凹面鏡は、同様な光学作用のあるフレネルゾーンプレートやホログラム等回折素子を用いてもよい。【００６４】
本発明においては、色合成手段にはダイクロイックミラーを例示したが、色合成手段としてダイクロイックプリズム等を用いてもよい。【００６５】
本発明においては、光源は、レーザの電流値を制御して変調する手段、光変調器により変調する手段を備えている。すわなち、本発明においては、赤色、青色に関しては、レーザの電流値を制御して行い、緑色に関してはレーザ光を音響光学素子に通過させて行ったが、グレーティング型ＭＥＭＳ変調器、導波路型変調器、電気光学結晶等、各種光変調器を用いてもよい。また、レーザの強度変調は１画素を走査する時間内で、パルス幅変調をして行ってもよい。【００６６】
水平走査、垂直走査には、音響光学素子、電気光学結晶等を用いてもよく、フォトニック結晶を用いたプリズム等で触れ角を増大させる光学系を備えてもよい。【００６７】
数式１ないし数式３から求められる結果であり、使用する投射距離範囲におけるビーム強度半値全幅が画素ピッチより小さければ、他の画素数、画面サイズに、本発明は適用可能である。また、数式１ないし数式３から求められる結果であれば、他の投射距離、画素数、画面サイズに、本発明は適用可能である。【００６８】
また、水平走査、垂直走査の素子のビーム偏向部（ミラー等）の大きさは、使用する通過するビーム径の強度半値全幅より大きければ他のサイズ・形状のものを用いてもよい。【００６９】
また、レーザは可視光領域であれば、３波長より多い数としてもよい。【００７０】
この出願は、２００６年１１月１日に出願された日本出願特願２００６−２９７６０５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【国際調査報告】
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