(57)【要約】    【課題】  正弦波駆動する偏向手段を用いて、被走査面上を光走査するとき、被走査面上を高精度に等速走査することができる光走査装置を得ること。    【解決手段】  光源手段と、該光源手段から発せられた光束を第１走査方向と、それに直交する第２走査方向の２次元方向に偏向する偏向手段と、該偏向手段で偏向された光束を被走査面上に導光する走査光学系とを有し、該偏向手段の偏向動作で該被走査面上を光走査する光走査装置において、  該偏向手段は、該第１走査方向において正弦波駆動する偏向器を有し、該走査光学系を構成する１つの光学面は、第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に変化する形状で、該形状が、該第２走査方向に連なっていること。【選択図】  図１
2006178346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源手段と、該光源手段から発せられた光束を第１走査方向と、それに直交する第２走査方向の２次元方向に偏向する偏向手段と、該偏向手段で偏向された光束を被走査面上に導光する走査光学系とを有し、該偏向手段の偏向動作で、該被走査面上を光走査する光走査装置において、
該偏向手段は、該第１走査方向において正弦波駆動する偏向器を有し、
該走査光学系を構成する１つの光学面は、第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に変化する形状で、該形状が、該第２走査方向に連なっていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記走査光学系は、前記第１走査方向においてアークサイン特性を有することを特徴とする請求項１の光走査装置。
【請求項３】
前記第１走査方向において正弦波駆動する前記偏向器の最大偏向角をφox、光走査に使用する偏向角の最大値をφxmaxとするとき、
【数１】
2006178346.tif 000018
なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２の光走査装置。
【請求項４】
前記１つの光学面は、非回転対称自由曲面であることを特徴とする請求項１、２又は３の光走査装置。
【請求項５】
前記１つの光学面は、第１走査断面内において対称な形状であることを特徴とする請求項１、２、３又は４の光走査装置。
【請求項６】
前記１つの光学面は、前記第２走査方向の中心から周辺へ移動したときよりも第１走査方向の中心から周辺へ移動したときの方が、第１走査方向の２階微分値の変化量が大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項の光走査装置。
【請求項７】
前記１つの光学面は、前記走査光学系の前記被走査面側に最も近い光学素子に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項の光走査装置。
【請求項８】
前記１つの光学面は、屈折光学素子の出射面に設けられ、該光学面は、該第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が徐々に増加する形状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項の光走査装置。
【請求項９】
前記１つの光学面を有する走査レンズは、第１走査断面内において前記被走査面側に凹でメニスカス形状であることを特徴とする請求項８の光走査装置。
【請求項１０】
前記走査光学系は、非回転対称反射面を複数面有し、該複数の非回転対称反射面は、前記偏向手段からの光束の光路を第２走査方向に折り畳むように構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１１】
中心画角の光束の主光線は、第２走査断面内において前記被走査面に傾いて入射することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１２】
該第１走査方向における全画角をθｄ１、前記第２走査方向における全画角をθｄ２、前記被走査面上に表示された画像の前記第１走査方向における幅をＷｉ１、前記第２走査方向における幅をＷｉ２とするとき、
【数２】
2006178346.tif 000019
なる条件を満足することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１３】
前記１つの光学面は、前記第２走査方向においてシフト又は／及びチルトしていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１４】
前記光源手段からの光束は、第２走査断面内において、前記偏向手段に斜入射していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１５】
第２走査断面内において、前記偏向手段から前記走査光学系までの光路でみたとき、前記被走査面への入射角が小さい光束が通過する方から、該光束を該偏向手段へ斜入射させていることを特徴とする請求項１４記載の光走査装置。
【請求項１６】
前記走査光学系は、負のパワーを有しており、前記偏向手段と前記被走査面との間の自然収束点を有する光束を該偏向手段へ入射させるとともに、該光束を該被走査面又はその近傍に結像させることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１７】
前記光走査光学系の瞳は、前記偏向手段又はその近傍に位置しており、該瞳の像は虚像であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１８】
前記走査光学系の水平走査方向の幅をＤｘ、垂直走査方向の幅をＤｙ、水平走査方向及び垂直走査方向とに垂直なＺ軸方向の幅をＤｚとするとき、
Ｄｘ≦５０(mm)
Ｄｙ≦３０(mm)
Ｄｚ≦５０(mm)
なる条件を満足することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項の光走査装置。
【請求項１９】
光源手段と、該光源手段から発せられた光束を第１走査方向と、それに直交する第２走査方向の２次元方向に偏向する偏向手段と、該偏向手段で偏向された光束を被走査面上に導光する走査光学系とを有し、該偏向手段の偏向動作で、該被走査面上を光走査する光走査装置において、
該偏向手段は、該第１走査方向に正弦波駆動する偏向器を有し、
該走査光学系は、複数の非回転対称反射面を含むとともに、
該走査光学系の該被走査面側の光学面は屈折面であって、
該屈折面は、該第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に変化する形状で、該形状が、該第２走査方向に連なっていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２０】
光源手段と、該光源手段から発せられた光束を第１走査方向と、それに直交する第２走査方向の２次元方向に偏向する偏向手段と、該偏向手段により偏向された光束を被走査面上に導光する走査光学系とを有する光走査装置において、
該偏向手段は、第１走査方向よりも第２走査方向の駆動周波数が低く、第１走査方向の走査角をθ、該走査光学系の焦点距離をｆとするとき、
該走査光学系は、第１走査方向においてf×θ×arcsin特性を有し、第２走査方向においてf×tanθ特性を有することを特徴とする光走査装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか１項の光走査装置を搭載したことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置及びそれを用いた走査型の画像表示装置に関し、特に偏向手段で光束（偏向光束）を２次元的に走査することによって被走査面、例えばスクリーン面上に２次元画像を投影表示するようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
光源手段から発せられた光束を偏向手段によって２次元的に偏向し、被走査面上をスポットで２次元的に光走査し、その残像効果によって２次元画像を形成する光走査装置が種々と提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００３】
光走査装置においては、光源手段からの光束を偏向する偏向手段として、ポリゴンミラーやガルバノミラー、それにＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ- Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術（微小機械システム）などで作製されたＭＥＭＳデバイスが用いられている。
【０００４】
ガルバノミラーやＭＥＭＳデバイスなど正弦波駆動する偏向手段を用いた場合、被走査面上を光走査される速度が周辺部で遅くなるという問題が一般的に知られている。
【０００５】
また、このような偏向手段を用いて２次元的に光走査するとき、被走査面上に形成される２次元画像に走査歪が発生することが一般的に知られている。
【０００６】
２次元画像を高品位に表示するためには、走査歪を良好に補正することが必要である。
【０００７】
特許文献１の走査光学系（結像光学系）は光学部材を含み、２の光学部材の光学パワーを有する面の中で最も被走査面側の面が透過作用の単独作用面で、かつ光学部材が非回転対称面を含む少なくとも２面の反射面を含んでいる。
【０００８】
この走査光学系を用いて、折り畳みの効果により光学系の小型化を図っている。また、光学パワーを有した反射面を使用したことによって偏心によるコマ収差や非点収差等が発生するが、この偏心収差を補正している。更に、偏向手段にポリゴンミラーを使う場合には、走査光学系をｆθレンズとし、ガルバノミラーなど正弦波状に変化する偏向手段を使う場合には結像光学系を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している。
【特許文献１】特開２００１−２８１５８３号公報
【特許文献２】特開平１１−８４２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の光走査装置において、偏向手段の偏向特性に合わせて走査光学系のディストーションを制御することで２次元的な直進走査性・等速走査性を走査しようとすると光学系が複雑・大型化する。このため、直進走査性は走査光学系で確保し、等速走査性は電気的な補正で行っている。
【００１０】
また、２次元走査の走査光学系を用いて等速走査性を確保した場合、正弦状に振動する偏向手段の約７０％に対して走査光学系がｆアークサインθレンズ特性を持つ構成である。
【００１１】
このように、等速走査性を電気的に補正した場合は、画素の間隔が不等間隔となる為、新たに画素タイミングを規定する制御が必要となる。また、クロック数が通常の数倍以上も必要となり、電気回路に掛かる負担が増大してくる。
【００１２】
さらに、被走査面上の光量分布は光走査速度と反比例の関係になるため、光量ムラが生じて画像の品位を低下させることがある。
【００１３】
高品位の画像を得るには、走査光学系に良好なるｆアークサインθレンズ特性を持たせる必要がある。
【００１４】
本発明は、正弦波駆動する偏向手段を用いて、被走査面上を光走査するとき、被走査面上を高精度に等速走査することができる光走査装置の提供を目的とする。
【００１５】
この他、本発明は、被走査面上を２次元的に光走査する場合、高精度に等速走査することができる光走査装置の提供を目的とする。
【００１６】
この他本発明は、２次元的に配列された走査線の等速走査性と２次元走査による走査歪の補正とを両立させることができる光走査装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の光走査装置は、光源手段と、該光源手段から発せられた光束を第１走査方向と、それに直交する第２走査方向の２次元方向に偏向する偏向手段と、該偏向手段で偏向された光束を被走査面上に導光する走査光学系とを有し、該偏向手段の偏向動作で該被走査面上を光走査する光走査装置において、
該偏向手段は、該第１走査方向において正弦波駆動する偏向器を有し、
該走査光学系を構成する１つの光学面は、第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に変化する形状で、該形状が、該第２走査方向に連なっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、正弦波駆動する偏向手段を用いて、被走査面上を光走査するとき、被走査面上を高精度に等速走査することができる光走査装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
【実施例１】
【００２０】
図１（a)、（ｂ）は、本発明の実施例１における光走査装置の要部斜視図と一部分の拡大斜視図である。
【００２１】
図２（Ａ）は、本発明の実施例１における第１走査方向としての水平走査方向の要部断面図（水平走査断面図、ＸＺ断面）、図２（Ｂ）は本発明の実施例１における第２走査方向としての垂直走査方向の要部断面図（垂直走査断面図、ＹＺ断面）である。
【００２２】
図中、１０１は例えば赤色光を放射する半導体レーザから成る光源手段である。光源手段１０１から画像情報に基づいて光変調され発せられた発散光束は集光レンズ１０２により平行光束を含む略平行光束に変換され、開口絞り１０３によって光束幅を制限されている。
【００２３】
開口絞り１０３を通過した光束は、収束光変換光学系１０４によって所望な収束度を有した収束光束に変換され、後述する偏向手段（２次元偏向手段）１０５へ入射する入射光束となる。１０５は２次元偏向手段であり、例えば、１次元方向に共振可能な第１偏向器１０５ａと等角速度的に偏向が可能な第２偏向器１０５ｂとを有している。光源手段１０１から発せられた光束を第１偏向器１０５ａによって水平走査方向に偏向し、該第１偏向器１０５ａからの偏向光束を第２偏向器１０５ｂで垂直走査方向へ偏向することで、光源手段１から発せられた入射光束を２次元方向に偏向している。１０６は２枚の走査ミラー１０６ａ，１０６ｂ及び１枚の走査レンズ１０６ｃで構成される走査光学系（実施例１の場合は、２次元走査光学系）であり、偏向手段１０５によって２次元方向に偏向された偏向光束を被走査面１０７又はその近傍にスポットとして結像させている。そして、偏向手段１０５により偏向された偏向光束が２次元走査光学系１０６を介して被走査面１０７上に導光され、スクリーンとして成る被走査面１０７上を光走査している。このように、第１偏向器１０５ａにより水平走査方向へ高速に光走査して走査線を描き、第２偏向器１０５ｂにより垂直走査方向に低速に光走査してスクリーン１０７上に２次元画像を表示している。
【００２４】
図２（Ｂ）に示したように、第１偏向器１０５ａならびに第２偏向器１０５ｂで偏向された偏向光束は、２次元走査光学系１０６を介してスクリーン１０７上を光走査される。このとき、偏向手段１０５によって２次元方向に偏向された光束のうち、水平走査方向（Ｘ軸方向）と垂直走査方向（Ｙ軸方向）の中心である中心画角の偏向光束の主光線を基準光線Ｌｖｃと定義する。
【００２５】
基準光線Ｌｖｃによる水平方向の走査線がＸ軸、垂直方向の走査線がＹ軸に相当する。
【００２６】
基準光線Ｌｖｃと水平方向（Ｘ軸方向）とを含む面を水平走査断面（第１の走査断面、ＸＺ断面）、基準光線Ｌｖｃと垂直方向（Ｙ軸方向）とを含む面を垂直走査断面（第２の走査断面、ＹＺ断面）とする。
【００２７】
実施例１では、第１偏向器１０５ａにはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ- Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術などで作製されたＭＥＭＳデバイスを用いている。
図３にＭＥＭＳデバイスの要部概要図を示す。
【００２８】
図中、１０５ａは１次元偏向器としてなるＭＥＭＳデバイスである。反射面１０５ａ-１はトーションバー１０５ａ-２によって筐体１０５ａ-３へ支持されており、反射面１０５ａ-１の裏面に備えた磁石が図示しないコイルから発生する磁力に反応して１次元方向に共振運動する。この共振運動によって偏向光束が水平走査方向に偏向されるようにＭＥＭＳデバイス１０５ａの向きを合わせている。
【００２９】
ところで、ＭＥＭＳデバイス１０５ａのように共振運動する偏向器は、反射面１０５ａ-１の向きが水平走査方向において正弦波状に変化する。これを以下、正弦波駆動と呼ぶ。そして、正弦波駆動では反射面１０５ａ−１の角速度が余弦波状に変化する。よって反射面１０５ａ-１の角速度は、反射面１０５ａ-１が正面を向いている時が最も速く、一方の端の最大振幅に達したときには角速度が０となり、そして逆方向の他方の端へ動き出す。これらを繰り返して往復走査を行っている。
【００３０】
実施例１の光走査装置における各光学部材は、水平走査方向に対して対称に配置されており、第１偏向器１０５ａが正面を向いたとき、偏向光束がスクリーン１０７の水平走査方向の中心１０７ａに到達する。
【００３１】
ここで、偏向光束がスクリーン１０７上を光走査される速度を光走査速度とする。光走査速度とスクリーン１０７上の光量分布とは反比例の関係にあり、光走査速度が最も速いスクリーン１０７の水平走査方向の中心１０７ａでは光量が弱く、光走査速度が最も遅いスクリーン１０７の水平方向の周辺部１０７ｂでは光量が強くなる。このように第１偏向器１０５ａの正弦波駆動により光走査速度が変化してスクリーン１０７上の光量分布が不均一となる。
【００３２】
実施例１では、スクリーン１０７上に画像を描画する際、第１偏向手段１０５ａの最大振幅の９０％までを利用している。これは走査効率が９０％であることを示す。そのため、スクリーン７上の周辺部の光走査速度は、中心の光走査速度の４３.６％にまで低下する。それに伴い、周辺部での光量は中心の約２.３倍となり、光量ムラが目立って画像の品位を低下させる。
【００３３】
そこで、実施例１では、水平走査方向においてアークサイン特性（水平方向の走査角をθ、走査光学系１０６の焦点距離をｆとするときｆ×θ、ａｒｃｓｉｎ特性）を有する走査光学系を用いて光量ムラを低減させている。
【００３４】
アークサイン特性とは、正弦波駆動する偏向器により偏向された光束をスクリーン１０７上で等速に光走査するように変換する走査光学系の歪曲収差のことである。
【００３５】
アークサイン特性を有する走査光学系とは、スクリーン１０７上の水平走査方向の像高をＸ、走査光学系の水平走査方向の焦点距離をfx、走査光学系の水平走査方向の半画角をθx、第１偏向器１０５ａの最大偏向角（振幅）（半画角）をφoxとしたとき、以下の（１）式が成立する光学系のことである。
【００３６】
【数３】
2006178346.tif 000003
【００３７】
実施例１においては、fx=297(mm)、φox=±10.5(deg)であって、スクリーン７の周辺部を描画する時の走査光学系１０６の画角をθxmaxとすると、θxmax=±18.9(deg)である。
【００３８】
走査効率Es(%)は、偏向手段の偏向器の最大偏向角（振幅）φoxに対する実際に使用する偏向器の偏向角の最大値φxmaxであり、以下の（２）式で表される。
【００３９】
【数４】
2006178346.tif 000004
【００４０】
実施例１では、
【００４１】
【数５】
2006178346.tif 000005
【００４２】
のなるようにしている。
【００４３】
実施例１では、φxmax=±9.45(deg)、φox=±10.5(deg)であって、Es=90(%)である。
【００４４】
（１）式から明らかなように、アークサイン特性は負の歪曲収差を発生させるものであり、走査効率Esが高い程、補正が難しくなる。特に、走査効率７０％を超えると、ｆタンジェントθ特性を有する走査光学系に対して、像高を１０％以上も広げる必要があり、光学的補正が極端に難しくなる。
【００４５】
また、２次元走査光学系や複数の走査線を同時に光走査する１次元走査光学系においては、スクリーン上に光走査する全ての走査線において、水平走査方向の等速走査性が確保されている必要があり、２次元的なアークサイン特性を有した走査光学系が求められる。
【００４６】
次に走査光学系１０６について説明する。
【００４７】
図４（Ａ）に実施例１の光走査装置における走査光学系１０６の水平走査断面内の要部概要図を示し、図４（Ｂ）に垂直走査断面内の要部概要図を示す。
【００４８】
実施例１では、走査光学系１０６は第１走査ミラー１０６ａ，第２走査ミラー１０６ｂと１枚の走査レンズ１０６ｃから成り、偏向手段１０５側から光束の通過順に、第１走査ミラー１０６ａ，第２走査ミラー１０６ｂ、走査レンズ１０６ｃの配置としている。
【００４９】
図１において、１０４は一の集光レンズで構成された収束光変換光学系である。この収束光変換光学系１０４は、入射光束を第１偏向器５ａから121.6(mm)離れた位置に収束させる正のパワーを有している。第１偏向器５ａから被走査面７までの距離Ｌは、278.0(mm)であり、収束光変換光学系４で収束光に変換された入射光束の自然収束点は第１偏向器１０５ａと被走査面１０７との間に配置されている。さらには、第１偏向器１０５ａと走査光学系１０６の最終面１０６ｃまでの光路長は、基準光線Ｌｖｃに沿って19.5(mm)であり、入射光束の自然収束点は、走査光学系１０６と被走査面１０７との間に配置されている。走査光学系１０６は、全体として負のパワーを有しており、被走査面１０７で手前の自然収束点に収束する偏向光束を弱い収束光に変換して被走査面１０７又はその近傍に結像させている。
【００５０】
尚、走査光学系１０の瞳は、偏向手段１０５又は、その近傍に位置している。
【００５１】
表-１に実施例１における２次元走査光学系１０６の構成の諸数値を示す。
【００５２】
実施例１の第１、第２走査ミラー１０６ａ，１０６ｂ及び走査レンズ１０６ｃの入射面・出射面には、次式に示したＸＹ多項式で表現される自由曲面形状を用いている。
【００５３】
【数６】
2006178346.tif 000006
【００５４】
但し、
R : 曲率半径 
K : コーニック定数
Cmn : XｍYｎの係数
m,n : 整数 （ 「10」は「t」と表現する。 ）
表−１に、第１、第２走査ミラー１０６ａ，１０６ｂの諸数値を示す。表−１において、
mやnが「10」の場合、「t」と表現する。Ｃｔ１０はＸ１０の係数、Ｃ０ｔはＹ１０の係数である。
【００５５】
実施例１の自由曲面では、R,Kの項を用いないが特に問題はない。勿論、R,Kの項を使用しても問題ない。
【００５６】
図５に第１走査ミラー１０６ａの面形状を示す。
【００５７】
図６に第２走査ミラー１０６ｂの面形状を示す。
【００５８】
図７（Ａ）に走査レンズ１０６ｃの入射面１０６ｃｉの形状を示し、図７（Ｂ）に出射面１０６ｃｏの形状を示す。
【００５９】
また、表−１には、実施例１における光走査装置の各光学部材の諸数値を示す。
【００６０】
第１、第２走査ミラー１０６ａ，１０６ｂの反射面や走査レンズの入射面１０６ｃｉ・出射面１０６ｃｏは、水平走査方向（第１走査方向、第１走査断面、ＸＺ断面）においては対称な形状をしており、垂直走査方向（第２走査方向、第２走査断面、ＹＺ断面）においては非対称な形状をした非回転対称面であり、更に垂直走査方向においては、シフトやチルトさせて配置している。
【００６１】
図８（Ａ）には走査レンズ１０６ｃの入射面１０６ｃｉの２階微分値を示し、図８（Ｂ）には走査レンズの出射面１０６ｃｏの２階微分値を示す。
【００６２】
図８（Ｂ）にあるように、走査レンズ１０６ｃの出射面１０６ｃｏは、出射面１０６ｃｏの水平走査方向の走査中心（中心）から走査周辺（周辺）へ向かうに従って、水平走査方向の面形状の２階微分値が変化すること、具体的には徐々に増加する面形状である。
【００６３】
このような形状を持つ面は、出射後に偏向光束を外側へ向かわせることができる。そして、走査レンズ１０６の出射面１０６ｃｏの周辺部を通過する偏向光束ほど、進行方向を外側へ向けられる効果が大きく、スクリーン１０７上の光走査速度を徐々に速くすることができる。
【００６４】
正弦波駆動する偏向手段１０５による偏向では、スクリーン１０７上の光走査速度は被走査面上の中心が速くて周辺が遅い。そこで、両者の光走査速度をキャンセルさせて、スクリーン１０７上で等速走査を実現している。
【００６５】
このように、偏向手段１０５が正弦波駆動する走査方向の走査中心から走査周辺に向かうに従って、形状の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に徐々に大きくなるような面形状を用いることによって、スクリーン１０７の周辺部における光走査速度を速くし、偏向手段１０５の正弦波駆動による光走査速度と相殺させて、等速走査を実現している。
【００６６】
図９に実施例１の光走査装置の被走査面１０７面上における走査光の走査速度比を示す。
【００６７】
図９は、スクリーン１０７上の描画領域の１ラインを光走査するのに要する時間を200等分し、その間に光走査される距離から光走査速度を求めたものであり、各走査位置の光走査速度を走査中心の光走査速度に対する比率で表している。以下この比率を走査速度比と呼ぶ。
【００６８】
スクリーン１０７上の走査速度比は、走査中心に対して誤差±１０％以内に抑えると光量ムラが目立たなくなり、画像の劣化が抑えられる。好ましくは、誤差±５％以内すると良い。
【００６９】
実施例１の走査速度比は最大で１.００１６、最小で０.９９８６である。誤差は最大でも+０.１６％であり、目標の１０％以内には十分に収まる精度である。これにより、かなりの高精度でアークサイン補正を行っていることが分かる。
【００７０】
実施例１の光走査装置は２次元走査装置であり、その解像度はSVGA(800×600画素)である。
【００７１】
今までは、１本の走査線（画面中央を通過する走査線）についての等速走査性について説明してきたが、光走査装置としては、垂直走査方向に並んだ600本全ての走査線において、水平走査方向の等速走査性が確保されているのが良い。
【００７２】
そこで、実施例１における２次元走査光学系１０６では、走査レンズ１０６ｃの出射面１０６ｃｏを、出射面１０６ｃｏの水平走査方向の走査中心から走査周辺へ向かうに従って水平走査方向の面の２階微分値が徐々に増加する形状を垂直走査方向に並べた面形状としている。この面形状が「２次元的アークサイン補正面」である。
「２次元的アークサイン補正面」は、垂直走査方向に並んだ全ての走査線においてアークサイン特性を発揮することができる。そのため、全ての走査線において、「２次元的アークサイン補正面」の水平走査方向の周辺部を通過する偏向光束ほど外側へ向けられ、スクリーン１０７上の走査中心から走査周辺へ向かうに従って徐々に光走査速度を速くすることができる。
【００７３】
これによって、スクリーン上に描いた２次元画像の全面に渡って水平走査方向のアークサイン特性を発揮させている。
【００７４】
そして、第１偏向手段１０５ａの正弦波駆動による光走査速度と走査光学系１０６のアークサイン特性による光走査速度とをキャンセルさせて、スクリーン１０７上に描いた画像全面に渡り水平走査方向で等速走査を行っている。
【００７５】
図１０は、垂直走査方向の片側の最大像高を１０割としたときの０割（走査中心）、２.５割、５割、７.５割、１０割の像高に位置する５本の走査線について、水平走査方向の走査速度比を示したものである。
【００７６】
これらの走査線においても走査速度比の誤差は最大で１.００３４、最小で０.９９１３であり、誤差は０.８７％以下に収まる。
【００７７】
つまり、実施例１の２次元光走査装置ではスクリーン１０７上に表示された走査画面全面において、水平走査方向の走査速度を一定に抑えている。
【００７８】
図１１に実施例１の光走査装置のスクリーン１０７上に形成される走査画像を示す。
【００７９】
図１１は、縦線１７本、横線１１本で描いた格子画像である。縦線と横線との全ての交点座標を求めて線を引いている。ある横線において、縦線との交点から隣の縦線との交点までの時間が等しくなるように表示している。
格子画像は水平走査方向の格子間隔が一定であることから画面全体で等速走査性が確保されていることが分かる。本実施例では走査効率９０％で描画しており、走査効率の高い領域まで高精度にアークサイン補正が行われていることが分かる。
【００８０】
図１２に実施例１の光走査装置を構成する走査レンズ１０６ｃを削除した場合のスクリーン１０７上に形成される走査画像を示す。
【００８１】
図１２を見ると、走査レンズ１０６ｃが無い場合、主に水平走査方向の周辺部で変化が大きいことが分かる。水平走査方向の走査中心から走査周辺へ向かうに従って、隣の縦線との間隔が徐々に狭くなり、周辺部では中心付近の半分以下となっている。
【００８２】
また、図１３に実施例１の光走査装置を構成する走査レンズ１０６ｃを削除した場合の走査速度比を示す。
【００８３】
図１３を見ると、走査中心から走査周辺へ向かうに従って走査速度比が低下していくことが分かる。これは、等速走査性がかなり悪い状態を示している。
このことによって、走査光学系１０６のアークサイン特性は走査レンズ１０６ｃにより生み出されていることが分かる。
【００８４】
つまり、本実施例では、走査レンズ１０６ｃの出射面１０６ｃｏを「２次元的アークサイン補正面」に設定したことにより、２次元走査画像の全領域において水平走査方向の等速走査性が確保することができる。
【００８５】
これにより、明るさムラの無い良好な走査画像を常に表示することが可能な画像表示装置を提供している。
【００８６】
また、実施例１では、走査光学系１０６の中で光学的なパワーを有する面のうち最も被走査面側に近い面を「２次元的アークサイン補正面」としている。走査光学系１０６は、偏向手段１０５から離れるに従いって偏向光束の重なり合いが減るため、重なり合いが最も少ない最終面（最も被走査面側の面）を「２次元的アークサイン補正面」とすることで、各走査位置に応じた最適形状を構成して、アークサイン特性の精度を向上させている。
【００８７】
更に、「２次元的アークサイン補正面」を有する走査レンズ１０６ｃを水平走査方向において被走査面側の凹のメニスカス形状としている。走査レンズ１０６ｃの入射面１０６ｃｉも出射面１０６ｃｏと同様に、入射面１０６ｃｉの水平走査方向の走査中心から走査周辺へ向かうに従って、水平走査方向の形状の２階微分値が徐々に増加する形状を垂直走査方向に並べた面形状としている。これは、入射面と出射面とでパワーをキャンセルさせつつ偏向光束の進行方向のみを独立して変化させることができ、これによってアークサイン特性に必要な形状を得るための自由度を向上させている。
【００８８】
また、「２次元的アークサイン補正面」とした出射面１０６ｃｏは第１走査方向である水平走査方向と、第２走査方向である垂直走査方向とで異なる形状を有するアナモフィック形状であり、出射面１０６ｃｏの内外に回転対称軸を有さない非回転対称面でもある。これによって、アークサイン特性に必要な形状を得るための自由度を向上させている。
【００８９】
このとき、第２走査方向の２階微分値の絶対値より第１走査方向の２階微分値の絶対値を大きくするとアークサイン補正を行う第１走査方向のみに寄与する面にできるので、設計の自由度が更に向上する。
【００９０】
また、「２次元的アークサイン補正面」は、第２走査方向の走査中心から走査周辺へ移動したときよりも第１走査方向の走査中心から走査周辺へ移動したときの方が、第１走査方向の２階微分値の変化量が大きくなるよう設定している。これにより、アークサイン特性のみを独立して補正できるようにして、垂直走査方向のいずれの位置における走査線であっても良好にアークサイン補正を行っている。
【００９１】
また、「２次元的アークサイン補正面」とした出射面１０６ｃｏは第１走査方向である水平走査方向においては対称な形状をしており、第２走査方向である垂直走査方向においては非対称な形状をしている。このように、２次元走査方向のうちどちらか一方を対称に形状とすることで、収差補正が容易になるメリットがある。特に、偏向手段が正弦波駆動する第１走査方向を対称形状に設定するとよい。
【００９２】
また、「２次元的アークサイン補正面」を用いると、スクリーン１０７までの投影距離によらず、どのような投影距離であっても常に良好なアークサイン補正を行うことができる。フロントプロジェクタなど投影距離が不特定な画像表示装置においては、「２次元的アークサイン補正面」を用いると本発明の絶大な効果を得ることができる。
【００９３】
実施例１では、２次元光走査装置を例に挙げたが、これに限ったものではなく、１本の走査線を描画する１次元走査装置、LEDアレイやLDアレイなど複数の発光点をアレイ状に配置したマルチビーム走査装置、DMDやGLVなどの空間変調器からの光束を偏向器で光走査する走査光学系においても、同様の効果を得ることが出来る。
【００９４】
ここからは、２次元光走査画像における走査歪とその補正方法について説明する。
【００９５】
図１の実施例１では、被走査面１０７面上を２次元方向に光走査する光路を示している。
【００９６】
偏向手段１０５の第１偏向器１０５ａは、前述した通りＭＥＭＳデバイスより構成している。
【００９７】
一方、偏向手段１０５の第２偏向器１０５ｂは、等角速度で駆動するステッピングモータに取り付けた平面ミラーより構成している。
【００９８】
そして、第１偏向器であるＭＥＭＳデバイス１０５ａと第２偏向器である平面ミラー１０５ｂとを近づけて配置しており、その間隔を７.０(mm)としている。
【００９９】
実施例１の偏向手段１０５は、正弦波駆動する第１偏向器１０５ａと等角速度で偏向する第２偏向器１０５ｂで構成しており、光源手段１０１からの光束を第１偏向器１０５ａにより水平走査方向へ偏向し、第２偏向器１０５ｂにより垂直走査方向へ偏向して２次元走査を行っている。
一般的に、光走査装置によってスクリーン１０７上に描かれる走査画像は、入力した映像信号の通りに表示されることが望ましい。
【０１００】
しかし、２次元走査したことによって発生するＴＶディストーション、走査光学系１０６の歪曲収差によるディストーション、偏向手段１０５の駆動特性による等速走査性のディストーション、そして斜め投影した場合に生じる台形歪、更に入射光束を斜めから偏向手段１０５に入射させることによって生じる直進走査性のディストーションなど、走査画像には様々な要因による走査歪が生じて画像の品位を著しく劣化さる場合がある。
【０１０１】
図１４に、実施例１の走査光学系１０６が無い場合のスクリーン１０７面上に形成される走査画像を示す。
走査画像には、歪曲収差のディストーション（等速走査性）、ＴＶディストーション、上側が広がった台形歪、下側に凸形状の直進性ディストーション（走査線曲がり）が生じ、走査画像の品位を低下させている。
【０１０２】
そこで実施例１では、走査歪を補正するため以下のような構成を用いている。
【０１０３】
まず、水平走査方向において、走査光学系１０６にアークサイン特性を持たせることにより、偏向手段１０５の正弦波駆動による走査位置のずれを補正し、水平走査方向の等速走査を実現している。これにより、走査光学系１０６の歪曲収差と偏向手段１０５の駆動特性による等速走査性のディストーションを解決している。更に、垂直走査方向に並んだいずれの走査線においてもアークサイン特性を満足させることにより、水平走査方向の走査位置が常に一定となるよう補正している。これにより、縦線を直線で描画している。このように、走査光学系に２次元的な水平走査方向のアークサイン特性を持たせることにより垂直走査方向の走査歪を補正している。これでＴＶディストーションのうち、垂直走査方向について解決している。
【０１０４】
また、垂直走査方向において、走査光学系にタンジェントθ特性（ｆ−ｔａｎθ特性）を持たせることにより、垂直走査方向の走査位置を常に同じ位置とすることができるようにし、水平ラインを直線的に描画している。このように、走査光学系に２次元的な垂直走査方向のタンジェントθ特性をもらせることで水平走査方向の走査歪を補正している。これで、ＴＶディストーションの水平走査方向についても解決している。
【０１０５】
つまり、水平走査方向にアークサイン特性（ｆ×θ×ａｒｃｓｉｎ）を有し、垂直走査方向にタンジェントθ特性を有した２次元走査光学系を用いることで、走査歪を補正し、常に高品位な画像を表示することが可能な画像表示装置を得ている。
【０１０６】
このとき、２次元走査光学系１０６に水平走査方向のアークサイン特性を持たせてＴＶディストーションを良好に補正するためにも、様々な走査歪を補正することが重要な課題となる。
【０１０７】
そこで、実施例１では、２次元走査光学系１０６の構成を適切に設定している。特に、入射方法や第１走査ミラー１０６ａ及び第２走査ミラー１０６ｂの構成を適切に設定して、各走査歪を補正している。
【０１０８】
図２に示したように、実施例１の２次元光走査装置は、斜め投影方式にてスクリーン１０７上に走査画像を表示させている。
【０１０９】
第１偏向器１０５ａならびに第２偏向器１０５ｂで偏向された偏向光束で、２次元走査光学系１０６を介してスクリーン７上を２次元的に光走査している。
【０１１０】
このとき、偏向手段１０５によって２次元方向に反射偏向される偏向光束のうち、中心画角の偏向光束の主光線を基準光線Ｌｖｃとしている。
【０１１１】
実施例１の２次元光走査装置では、図２（Ｂ）に示すように垂直走査方向においてスクリーン１０７に対し有限の角度θｖｃ（≠０deg）を有して基準光線Ｌｖｃを入射させている。そして、全ての光束について、垂直走査方向の入射角をθｖｉ≧０(deg)以上としている。
【０１１２】
このように斜め投影方式により、スクリーン１０７上に表示した走査画像を上方へシフトさせ、観察者にとって見やすい位置に走査画像を表示している。また、この光走査装置を搭載した走査型画像表示装置を机の上に置いた場合に、走査画像が机上に表示することなく、全てスクリーン１０７上に表示できるようにしている。
【０１１３】
また、実施例１では垂直走査方向より斜め投影を行っており、このとき、垂直走査方向において、基準光線Ｌｖｃがスクリーン１０７に対して入射する角度θｖｃは、１８.０(deg)である。ここで、偏向光束がスクリーン１０７へ入射する角度が大きい方が上方とし、入射角が小さい方を下方としたとき、スクリーン１０７上の最も上方に入射する光束の主光線はスクリーン１０７に対して入射角θｖｕ＝３２.９(deg)で入射し、最も下方に入射する光束の主光線はスクリーン１０７に対して垂直、すなわち入射角θｖｌ＝０.００(deg)で入射している。
【０１１４】
よって、本実施例では、全ての光束について、垂直走査方向の入射角をθｖｉ≧０.００(deg)としている。
【０１１５】
特に被走査面１０７への入射角が小さい光束が通過する側から、光束を偏向手段１０５へ入射させている。
【０１１６】
一方、水平走査方向においては、図２（Ａ）に示すように基準光線Ｌｖｃは被走査面１０７に対して垂直に入射しており、走査中心に対して左右対称な配置としている。
【０１１７】
このように、斜め投影方式でスクリーン１０７上に画像を表示すると、図１４に示すような台形歪みが大きく発生して表示画像の品位を低下させる場合がある。
【０１１８】
台形歪は一般に良く知られているように、スクリーン１０７までの光路差によって発生する歪であり、光路が短い場合は画像の幅が短くなり、光路が長い場合は画像の幅が広くなる。斜め投影した場合、スクリーン１０７へ垂直で入射する部分の光路長が短く、入射角が大きい程光路長が長くなる。よって、上向きに斜め投影した場合は画像の上側が広くて下側が狭い台形歪が発生する。
【０１１９】
また、別の走査歪として、直進性のディストーションがある。
【０１２０】
図１５は偏向面内（水平走査断面内）入射の入射方式を説明する図である。
【０１２１】
図１５に示したように、第１偏向器１０５ａの偏向方向である水平走査方向から入射光束を第１偏向器１０５ａへ入射させた偏向面内入射の場合、第１偏向器１０５ａの反射面の向きにより反射偏向が可能な光束幅が異なる。特に入射方向から遠ざかる方向に偏向する場合は、入射光束が大きくけられることにより光量ロスが問題となる。
【０１２２】
そこで、実施例１では、水平走査方向に偏向する第１偏向器１０５ａに対して、その偏向方向と直交する垂直走査断面（第２走査断面）内において角度をつけて、光源手段１０１からの光束を入射させている。所謂、斜入射と呼ばれる入射方法である。
【０１２３】
光源手段１０１から偏向手段１０５へ光束を入射させるときの入射角は、入射光束の主光線と基準光線Ｌｖｃとの成す角度で定義される。
【０１２４】
ここで、偏向面内入射の場合について説明する。
【０１２５】
実施例１と同様の画角を想定して、走査光学系１０６の水平画角３７.８０(deg)、垂直画角２１.１７(deg)とし、偏向面内からの入射角を３０(deg)としたとき、第１偏向器１０５ａの反射面の向きの変化に伴って、偏向可能な光束幅が第１偏向器１０５ａの反射面の幅に対して９８〜６６％で変化する。偏向可能な光束幅が減少することによって、偏向光束の光量も減少して光量ロスが発生する。
一方、実施例１のように、垂直走査方向から斜入射させた場合は、偏向可能な光束幅は第１偏向器１０５ａの反射面の向きの影響をほとんど受けることがない。本実施例では斜入射における入射角２８(deg)としており、偏向可能な光束幅は第１偏向器１０５ａの反射面の幅に対して９４〜９３％である。これによって、第１偏向器１０５ａの反射面を有効に使用できるようになり、偏向可能な光束幅の減少が極端に少なくなって、光量ロスの問題を改善している。
【０１２６】
しかしながら、斜入射方式の走査光学系の場合、スクリーン１０７に描かれる画像は水平ラインが湾曲する。所謂、走査線曲がりである。
図１６は実施例１に係る斜入射における走査線曲がりの説明図をである。
【０１２７】
斜入射方式の場合、走査線は水平走査方向の中心から周辺へ向うに連れて、スクリーン１０７の上方へずれていく。つまり、下向きに凸状の走査線曲がりが発生する。
第１偏向器１０５ａによって偏向光束が反射される際、第１偏向器１０５ａの反射面の向きが水平走査方向に傾くに従って、偏向光束の反射方向の垂直走査方向成分が徐々に大きくなるため、下向きに凸状の走査線曲がりが発生する。第２偏向器１０５ｂや２枚の走査ミラー１０６ａ，１０６ｂなどの反射面で反射される際に、走査線曲がりの向きを変えながらスクリーン１０７に到達する。
【０１２８】
上側の斜め投影を行った場合は、下向きに凸状の走査線曲がりを発生させると走査光学系で直進性のディストーションを補正し易くなる。そこで、第１偏向器１０６ａへの光束の斜入射方向を第２偏向器１０５ｂが偏向する領域とは反対側から入射させている。
【０１２９】
実施例１の光走査装置では、走査光学系１０６に含まれる２枚の走査ミラー１０６ａ、１０６ｂを用いてこれを解決している。
【０１３０】
走査光学系１０６の２枚の走査ミラー１０６ａ、１０６ｂは、垂直走査方向において偏向光束の光路を折り畳むように配置している。これは、斜め投影と同じ走査方向である。
【０１３１】
図１７に実施例１の第１走査ミラー１０６ａにおける水平走査方向の２階微分値を示す。第１走査ミラー１０６ａは、偏向光束がマイナス側から入射し、マイナス側へ出射している。
図１８に実施例１の第１走査ミラー１０６ｂにおける水平走査方向の２階微分値を示す。第２走査ミラー１０６ｂは、偏向光束がプラス側から入射し、プラス側へ出射している。
【０１３２】
図１７に示したように、第１走査ミラー１０６ａの水平走査方向の２階微分値は、水平走査方向の走査中心から走査周辺へ向うに従って一旦小さくなり、その後、徐々に大きくなって周辺部では走査中心より大きい２階微分値としている。偏向光束がマイナス側から入射してプラス側へ出射すする面であり、偏向光束を外側へ向かわせる効果がある。特に周辺部で大きな効果を持たせている。そして第１走査ミラー１０６ａは、このような形状を垂直走査方向に連ねた面形状をしている。
【０１３３】
一方、図１８に示したように、第２走査ミラー１０６ｂの水平走査方向の２階微分値は、水平走査方向の走査中心から走査周辺へ向うに従って一旦小さくなり、その後は徐々に大きくなって周辺部では走査中心より大きい２階微分値としている。偏向光束がプラス側から入射してプラス側へ出射する面であり、外側に向いた偏向光束を内側へ向かわせる効果がある。特に、周辺部でその効果が大きい。そして第２走査ミラー１０６ｂは、このような形状を垂直走査方向に連ねた面形状をしている。
【０１３４】
このように２枚の走査ミラー１０６ａ、１０６ｂを補完する形状とし、第１走査ミラー１０６ａによって偏向光束を外側へ向かわせ、その光束を第２走査ミラー１０６ｂによって再び内側へ向かわせて被走査面として成るスクリーン１０７に導光している。
第１偏向器１０５ａがある角度で偏向しているとき、第２偏向器１０５ｂの全ての偏向角における偏向光束が、水平走査方向の断面で見たときに同じ光路を通ってスクリーン１０７へ向かうように、第２走査ミラー１０６ｂ上の反射点の位置を決めている。そして、第１走査ミラー１０６ａでは、第２走査ミラーでの反射位置を目指して偏向光束を反射している。
第２走査ミラー１０６ｂ上の反射点の位置は、水平走査方向の周辺部でその間隔が広くなるので、第１走査ミラーの水平走査方向の２階微分値も周辺部で大きくする必要がある。また、第１走査ミラーの１０６ａ２階微分値が大きくなると、偏向光束が外側へ大きく広がるため、第２走査ミラー１０６ｂの周辺部の２階微分値も大きくして、内側へ向かわせる効果も大きくする必要がある。そして、第２走査ミラー１０６ｂの反射点からスクリーン１０７上の所定の位置へ導光するよう第１走査ミラー１０６ａ及び第２走査ミラー１０６ｂの形状を決めている。
【０１３５】
このように構成すると、第１偏向器１０５ａのある角度で偏向した偏向光束は、第２偏向器１０５ｂの偏向角によらず、常に水平走査方向の同じ位置に到達させることができる。
【０１３６】
その結果、斜め投影方式により発生した台形歪を補正することができ、同時に垂直走査方向のＴＶディストーションを補正することができる。
【０１３７】
さらには、第１走査ミラー１０６ａが負のパワーを有し、第２走査ミラー１０６ｂが正のパワーを有するので、像面湾曲補正にも効果がある。
また、第１偏向器１０５ａで反射偏向された偏向光束が第２走査ミラー１０６ａ上で反射される反射点を、水平走査方向の走査中心から走査周辺に向かうに従ってスクリーン１０７から遠ざかるように構成している。これによって、斜入射によって生じる走査線曲がりの形状と第１偏向器１０５ａによって水平走査方向に偏向された偏向光束の第２走査ミラー１０６ｂ上での反射点の軌跡を類似させ、第２走査ミラー１０６ｂで反射後の偏向光束を同一平面内に配置するようにしている。
【０１３８】
そのため、スクリーン１０７上の走査線を直線とすることができるので、斜入射による走査線曲がりにならびに水平走査方向のＴＶディストーションを良好に補正している。
【０１３９】
このように、第１走査方向に偏向する偏向器へ光源からの光束を斜入射させ、走査光学系に含まれる反射面のうち最も被走査面に近い反射面を最終反射面とし、該最終反射面を第１走査方向とは直交する第２走査方向において傾けて配置し、第１走査方向における最終反射面上の反射点の軌跡が、最終反射面の中心から離れるに従って徐々に被走査面から遠ざかるように配置することによって、走査線曲がりを良好に補正することができる。
【０１４０】
以上のように、２次元走査光学系１０６には、非回転対称に形成された２枚の反射面を用いている。
【０１４１】
実施例１では、第１走査ミラー１０６ａと第２走査ミラー１０６ｂを備えている。
【０１４２】
図１９（Ａ）ならびに図１９（Ｂ）を用いて、ＴＶディストーションならびに台形歪みの算出方法を説明する。
【０１４３】
図１９（Ａ）は、ＴＶディストーションの算出方法を説明する図である。
ＴＶディストーションは、表示された画面の枠が湾曲した量を示した収差量であり、画面中央を通る軸に沿った変位量を画面の幅で割ったものである。よって、画面枠の各辺におけるＴＶディストーションは以下の式で表される。
上辺 Ｌ１ ： ａ／Ｂ×１００（％）
下辺 Ｌ２ ： ｂ／Ｂ×１００（％）
左辺 Ｌ３ ： ｃ／Ａ×１００（％）
右辺 Ｌ４ ： ｄ／Ａ×１００（％）
また、図１９（Ｂ）は、台形歪みの算出方法を説明する図である。
台形歪みは、表示された画面の枠が傾斜した量を示した収差量であり、画面の角の変異量を画面の幅で割ったものである。よって、画面枠の各辺における台形歪みは以下の式で表される。
上辺 Ｌ１ ： ｅ／２／Ｂ×１００（％）
下辺 Ｌ２ ： ｆ／２／Ｂ×１００（％）
左辺 Ｌ３ ： ｇ／２／Ａ×１００（％）
右辺 Ｌ４ ： ｈ／２／Ａ×１００（％）
図１１には、実施例１の光走査装置における走査画像を示してある。また、表-２にＴＶディストーションと台形歪の量を示す。
【０１４４】
実施例１の光走査装置では、ＴＶディストーションは上辺で-0.01(%)、下辺で-0.01(%)、左辺で0.00(%)、右辺で0.00(%)であり、台形歪は上辺で0.00(%)、下辺で0.00(%)、左辺で0.00(%)、右辺で0.00(%)であり、ほぼ完璧に走査歪を補正している。
【０１４５】
図１４には、実施例１の光走査装置から２次元走査光学系を除いた場合の比較例における走査画像を示してある。また、表-３にＴＶディストーションと台形歪の量を示す。
【０１４６】
実施例１の光走査装置から２次元走査光学系を除いた場合の比較例では、ＴＶディストーションは上辺で7.55(%)、下辺で6.49(%)、左辺で-0.84(%)、右辺で0.84(%)であり、台形歪は上辺で0.00(%)、下辺で0.00(%)、左辺で-2.01(%)、右辺で2.01(%)であった。
これにより、斜め投影方式でスクリーン１０７に投射した光走査装置であり、偏向手段１０５に斜入射方式で入射させた光走査装置であっても、実施例１の２次元走査光学系１０６を用いることによって、走査歪が極めて少ない、常に良好な２次元走査画像を表示することができる光走査装置を得ている。
【０１４７】
実施例１では、光源手段１０１からの入射光束を偏向手段１０５により、水平走査方向の画角θx=±18.9(deg)、垂直走査方向の画角±10.0(deg)で偏向している。また、各画角の偏向光束を２次元走査光学系１０６によってスクリーン１０７上に表示された画像の水平走査方向の幅は243.5(mm)、垂直走査方向の幅は182.6(mm)であり、対角12.0(inch)の走査画像を表示している。走査画像の幅は画像中心を通過する位置で定義する。
つまり、２次元走査光学系の第１走査方向の全画角θｄ１=37.8(deg)、第２走査方向の全画角θｄ２=20.0(deg)、表示画像の第１走査方向における幅Ｗｉ１=243.5(mm)、第２走査方向における幅Ｗｉ２=182.6(mm)であって、
【０１４８】
【数７】
2006178346.tif 000007
【０１４９】
となり、
【０１５０】
【数８】
2006178346.tif 000008
【０１５１】
なる条件式を満足している。
上記（３）式の下限値以下となると第２走査方向の像面湾曲補正が難しくなり、スポットの肥大を招いて解像度が劣化する。上限値以上となると台形歪みの補正が難しくなる。そこで、上記（３）式に示した条件を満足させることにより、台形歪みが良好に補正でき、且つ第２走査方向の像面湾曲が良好に補正されスポットを所望の大きさとしている。
【０１５２】
また、第２走査方向である垂直走査方向の画角を小さく設定することで、２次元走査光学系１０６の小型化を図っている。
【０１５３】
実施例１のように偏向手段１０５が２つの偏向器１０５ａ，１０５ｂによって構成される場合は、スクリーン１０７上に表示された画像の幅が広い方をスクリーン１０７から離れた位置に配置するのが好ましい。こうすると、２次元走査光学系１０６の性能補正がしやすくなる。
【０１５４】
２次元走査光学系１０６の水平走査方向の幅をＤｘ、垂直走査方向の幅をＤｙ、水平走査方向及び垂直走査方向とに垂直なＺ軸方向の幅をＤｚとしたとき、
Ｄｘ＝３６.０(mm)
Ｄｙ＝１９.４(mm)
Ｄｚ＝２４.４(mm)
であり、
Ｄｘ≦５０(mm) … （４）
Ｄｙ≦３０(mm) … （５）
Ｄｚ≦５０(mm) … （６）
なる条件を満足している。
【０１５５】
さらに、第１偏向手段１０５ａから２次元走査光学系１０６の最も被走査面に近い位置までのＺ軸方向の距離をＬｄとしたとき、
Ｌｄ＝３６.５(mm)
であり、
Ｌｄ≦５０(mm) … （７）
なる条件を満足している。
【０１５６】
これらにより、２次元光走査装置が非常にコンパクトなものとなり、この２次元光走査装置を搭載する画像表示装置を小型化することができるメリットがある。また、光学部品を保持するメカ部材の構成、ならびに保管場所の占有容積を低減することができるので、コストダウンが図れるメリットもある。
【０１５７】
このように、偏向手段１０５に正弦波駆動する偏向器を用いてスクリーン７上に走査画像を表示させる場合の等速走査性が崩れる問題や、偏向手段１０５で２次元方向に偏向することによって生じるＴＶディストーション、さらに斜め投影方式によって生じる台形歪み、斜入射によって生じる走査線曲がりなど、いくつもの走査歪が発生して走査画像の品位が著しく劣化していたが、実施例１により、走査画像全域に渡って等速走査性を確保すると共に、ＴＶディストーション及び台形歪みなどの走査歪を良好に補正することができる。
【０１５８】
これにより、常に高品位な走査画像を表示することのできる光走査装置を達成するとこができる。
【０１５９】
また、投影距離によらず等速走査性や走査歪を同時に補正することができるので、実施例１の光走査装置をフロントプロジェクタなどの投影装置に用いた場合、更なる効果を発揮することができる。
【０１６０】
実施例１では、２次元走査光学系１０６を構成する走査ミラー１０６ａ，１０６ｂならびに走査レンズ１０６ｃは平面ベースの自由曲面を用いたが、これに限ったことはなくたとえば、球面ベースの自由曲面や放物線ベースの自由曲面を用いても効果を十分に得ることができる。
【０１６１】
図２０に、本発明の実施例２の走査型の画像表示装置の概要図を示す。
【０１６２】
図２０において光源手段１０１より放射した光束は、集光レンズ１０２、収束光変換光学系１０４を介して、偏向手段１０５に入射する。偏向手段１０５中には、水平走査手段１０５ａと垂直走査手段１０５ｂが配置されており、入射した光束を２次元方向に偏向できるように構成されている。偏向光束は、２枚の走査ミラー１０６ａ，１０６ｂ及び１枚の走査レンズ１０６ｃから成る２次元走査光学系１０６を介してスクリーンや壁などの被走査面１０７に向かう。光源手段１０１から発せられた光束は、集光レンズ１０２、収束光変換光学系１０４、２次元走査光学系１０６により被走査面１０７上に略集光され、被走査面１０７上に光源像を形成するように構成されている。したがって、偏向手段１０５の偏向走査により、被走査面１０７上に光源像が光走査され、形成される。
【０１６３】
偏向手段１０５中の水平走査手段１０５ａは、半導体プロセスにより形成されたマイクロメカニカルミラーであり、ミラー面を機械的な共振動作により揺動するように構成されたものである。
【０１６４】
垂直走査手段１０５ｂは、回転軸を有するステッピングモータなどのモータであり、水平走査手段１０５ａ,垂直走査手段１０５ｂは、それぞれ水平走査手段駆動部１１４、水平駆動回路１１９、垂直走査手段駆部１１５、垂直駆動回路１２０と接続されている。また、光源手段１０１は、光源駆動回路１１３に接続されており、光源駆動回路１１３、水平駆動回路１１９，垂直駆動回路１２０は、制御回路１２１に接続されており、同期を取りながら発光時間、偏向動作が制御される。制御回路１２１には、不図示の信号入力手段から、映像信号が入力され、その入力信号にもとづいて、制御回路１２１は制御を行う。
【０１６５】
図２０中、矢印１１７は、水平走査手段1０５ａの揺動方向を示している。水平走査手段１０５ａにより偏向された光束は被走査面１０７上を光走査され、図中の往路走査線１０８，復路走査線１０９のような走査線を形成する。
【０１６６】
矢印１１８ａは垂直走査手段１０５ｂの偏向方向を示しており、矢印１１８方向に回転することにより、被走査面１０７上を矢印1１２方向に走査する。したがって、被走査面１０７上には、走査線１０８，１０９のような往復した走査線が上から下に向かって形成される。被走査面１０７上の下にくると垂直走査手段１０５ｂは、被走査面１０７の上端まで戻りその後繰り返し走査を行う。偏向光束は、被走査面１０７の有効部１１０の外側まで走査され、その一部で光検知されて同期のタイミングを合わせている。
【０１６７】
たとえば、被走査面１０７の有効部１１０の中に、水平方向８００画素、垂直方向６００画素あるSVGAの画像であれば、垂直方向を６０Hzで駆動すると、水平走査線が往路、復路それぞれ３００本となるので、１８kHzの共振周波数が必要になる。即ち第１走査方向よりも第２走査方向の駆動周波数が低い。
【０１６８】
なお図２０では、わかりやすくするため、走査線を間引いた形で概要を示している。
【０１６９】
図２１は、本発明の走査型の画像表示装置の他の実施例の要部概要図である。
【０１７０】
図２１において、携帯機器１２２には、本体部１２３に投射表示部１２４が接続されており、投射表示部１２４に実施例１の２次元光走査装置が搭載されている。携帯機器１２２には入力部１２５があり、全ての操作を入力部１２５で行う構成となっている。携帯機器１２２にはアンテナ１２７が備わっており、データの送受信ができる。本体部１２３には、液晶パネルや、有機ELなどの表示部１２６が備わっている。文字情報や簡易的な画像などに関しては、不図示の使用者が携帯機器１２２を手で持ちながら、表示部１２６を直接見ることもできる。しかしながら、より大きな画面で観察したい場合や、表示部１２６のエリアでは見ることができないような場合、使用者の操作により投射表示部１２４から画像を投影することができる。例えば、壁などの被走査面１０７に向けて画像を投射し、走査画像１２８を表示している。
【０１７１】
図２２は、本発明の走査型の画像表示装置の他の実施例の要部概要図である。
【０１７２】
走査型画像表示装置１２９は、本体部１３０、ヘッド部１３１、接続部１３２の３つの構成要素から成っている。本体部１３０には、光源手段や集光レンズ系が収納されており
、ヘッド部１３１には、収束光変換光学系や偏向手段、ならびに２次元走査光学系が収納されている。
【０１７３】
本体部１３０とヘッド部１３１とを接続する接続部１３２は、例えば光ファイバーから成り、光源手段から発せられた光束をヘッド部１３１へ供給している。これにより、例えば机の上などを被走査面１０７上を走査線１０８，１０９で描き、画像を表示している。このとき、例えば、ＰＤＡのような携帯情報端末１３３と走査型の画像表示装置１２９とをケーブル１３４で接続すれば、携帯情報端末１３３の小さな画面を、走査型の画像表示装置１２９で投影した大きな画面で見ることができる。
【実施例２】
【０１７４】
図２３（Ａ）は、本発明の実施例２の光走査装置における水平走査断面図であり、図２３（Ｂ）はその垂直走査断面図である。
【０１７５】
実施例２は、光源手段から発せられた色光の異なる複数の光束を偏向手段で２次元方向に偏向し、該偏向手段で偏向された光束を走査光学系で被走査面上に導光し、偏向手段の偏向走査によって該被走査面上を光走査して画像を形成している。
【０１７６】
図中、２０１は例えば緑色光を放射する緑色半導体レーザ２０１ａ、赤色光を放射する赤色半導体レーザ２０１ｂ、および青色光を放射する青色半導体レーザ２０１ｃの３色のレーザから成る光源手段である。光源手段２０１から発せられた３色の発散光束はそれぞれに対応した集光レンズ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃにより平行光束に変換され、開口絞り２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃによってそれぞれの光束幅を制限されている。この後、赤色、緑色、青色の３本のレーザ光束は、ビーム合成手段であるダイクロイックプリズム２０８によって、１本の白色光束に合成される。
【０１７７】
合成された白色光束は、収束光変換光学系２０４によって所望な収束度を有した収束光束に変換され、後述する偏向手段２０５へ入射する入射光束となる。２０５は２次元偏向手段であり、実施例１と同様に、水平走査方向に正弦波駆動するＭＥＭＳミラー１０５ａと垂直走査方向に等角速度で三角波駆動する偏向ミラー１０５ｃとで構成される。
【０１７８】
尚、２次元偏向手段２０５は、例えば、反射面を１面有した２次元方向に共振可能な１つの偏向器によって構成しても良い。
【０１７９】
光源手段２０１から発せられた光束を偏向器２０５によって水平走査方向および垂直走査方向に偏向して２次元方向に偏向している。ここで水平走査方向の周波数を高くし、垂直走査方向の周波数を低く設定して走査線を水平走査方向に描いている。
【０１８０】
２０６は３枚の走査ミラー２０６ａ，２０６ｂ,２０６ｃで構成される２次元走査光学系であり、偏向手段２０５によって２次元方向に偏向された偏向光束を被走査面７又はその近傍にスポットとして結像させている。
【０１８１】
そして、偏向手段２０５により偏向された偏向光束が２次元走査光学系２０６を介して被走査面７上に導光され、スクリーンとして成る被走査面２０７上を光走査している。このように、偏向手段２０５によって２次元方向に光走査を行い、スクリーン２０７上に２次元画像を表示している。
【０１８２】
実施例２は、実施例１と同様に、スクリーン２０７に対して基準光線Ｌｖｃが傾いて入射する垂直走査方向において、第１走査ミラー２０６ａ及び第２走査ミラー２０６ｂをチルトさせ、偏向光束の光路を折り畳んでいる。
【０１８３】
図２４は、実施例２の光源ユニットの要部概要図である。
【０１８４】
緑色半導体レーザ２０１ａから出射した発散光束は、コリメータレンズ２０２ａで略平行光束に変換され、開口絞り２０３ａで光束幅を制限されてダイクロイックプリズム２０８に入射する。また、赤色半導体レーザ２０１ｂから出射した発散光束も同様に、コリメータレンズ２０２ｂによって平行光束に変換され、開口絞り２０３ｂによって光束幅を制限されてダイクロイックプリズム２０８へ入射する。このとき、ダイクロイックプリズム２０８で緑色光束と赤色光束とが合成され、黄色光束が形成される。青色半導体レーザ２０１ｃも同様にコリメータレンズ２０２ｃで平行光束に変換され、開口絞り２０３ｃで光束幅を制限してダイクロイックプリズム２０８へ入射している。そして、黄色光束と青色光束が合成され、白色光束を形成し、偏向手段５へと導いている
実施例２は、実施例１と同様に、斜め投影方式によってスクリーン２０７上に走査画像を表示している。このとき、基準光線Ｌｖｃがスクリーン２０７に対して垂直走査方向に１９.７(deg)傾いて入射させている。スクリーン２０７の上方へ到達する偏向光束Ｌｖｕがスクリーン２０７へ入射する角度θｖｕは３４.７(deg)であり、スクリーン２０７の下方へ到達する偏向光束Ｌｖｌがスクリーン２０７へ入射する角度θｖｌは０.４７(deg)である。
【０１８５】
また、光源手段２０１からの入射光束は、垂直走査方向において第１偏向器２０５ａの反射面に対して入射角２０(deg)で斜入射させており、実施例１と比べて偏向可能な光束幅を広くしている。
【０１８６】
このように、スクリーン２０７に対して基準光線Ｌｖｃが傾いて入射する走査方向と、偏向器２０５に対して斜入射させる走査方向とを同一の走査方向にすることによって、２次元走査光学系２０６でＴＶディストーションや台形歪みを補正し易くしている。
【０１８７】
実施例２では、光源手段２０１から赤色、緑色、青色の３色のレーザ光束が発振され、それぞれの映像信号に基づいて光変調を行い、スクリーン２０７上にカラー画像を表示している。
【０１８８】
カラー画像を表示する際、色ずれが生じて画質を劣化させるという問題がある。
特に、２次元走査光学系２０６にプラスチックレンズのみで構成された場合、プラスチックの分散の範囲が狭いために色収差補正が難しく、色ずれの問題が大きく発生する。
しかし、実施例３の２次元走査光学系２０６は、３枚の走査ミラー２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃで構成されているために色収差が発生しないので、カラー画像の色ずれが発生しないというメリットがある。
【０１８９】
このように、複数の波長を発生させる光源手段２０１を用いた場合は、２次元走査光学系２０６に複数の走査ミラーを用いることが好ましく、常に色ずれが発生しない高品位な画像を表示することができる。勿論、２次元走査光学系２０６の中に走査レンズを設けても実質的な色収差に抑えることが可能である。この場合、実施例１の走査レンズ１０６ｃの様に、走査レンズを被走査面側に凹のメニスカス形状にして殆どノンパワーに構成すると色収差を小さく抑えることができるので有効である。
【０１９０】
表−４に、実施例２における２次元走査光学系２０６の構成の数値例を示す。
【０１９１】
実施例２の２次元走査光学系２０６においても、３つの走査ミラー２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃを垂直走査方向にシフト及びチルトさている。その反射面の形状は、水平走査方向においては中心に対して対称であり、垂直走査方向においては非対称な非回転対称面としている。
【０１９２】
これにより、２次元走査によって発生したＴＶディストーション、斜め投影によって発生した台形歪み、ならびに斜入射によって発生した走査線曲がりなどの走査歪を良好に補正している。
【０１９３】
図２５は第１走査ミラー２０６ａの反射面の形状を、図２６には第２走査ミラー２０６ｂの反射面の形状を、図２７には第３走査ミラー２０６ｃの反射面の形状を模式的に示した図である。
【０１９４】
図２８は第１走査ミラー２０６ａにおける水平走査方向の２階微分値を示し、図２９は第２走査ミラー２０６ｂにおける水平走査方向の２階微分値を示し、図３０は第３走査ミラー２０６ｃにおける水平走査方向の２階微分値を示す。
【０１９５】
第１走査ミラー２０６ａの面形状について説明する。
【０１９６】
第１走査ミラー２０６ａは、面内ｚ座標のマイナス側から光束が入射してマイナス側へ出射する反射面である。
【０１９７】
図２５に示したように、水平走査方向において、中心は凸面形状であり周辺に向かうに従って徐々に凸形状から平面となり、更に凹面へと変化している。また、図２８に示したように、２階微分値は、水平走査方向において、中心はプラスであり周辺へ向かうに従って徐々に減少し、ゼロを通過してマイナスとなっている。この面に関して言えば、凸面から平面へ変わり更には凹面になる面形状である。
【０１９８】
第２走査ミラー２０６ｂも、面内ｚ座標のマイナス側から光束が入射してマイナス側へ出射する反射面である。
【０１９９】
第２走査ミラー２０６ｂは、図２６に示したように、水平走査方向において、中心は凹面形状であり周辺へ向かうに従って徐々に平面となり、更に凸面へと変化している。図２９に示したように、２階微分値は、水平走査方向において、中心はマイナスであり周辺へ向かうに従って徐々に増加し、ゼロを通過してプラスとなっている。このような面は、水平走査方向の中心から周辺へ向かうに従って光束を外側へ向かわせる作用が大きくなる。更に、この形状が垂直走査方向に連続的に並んだ面形状である。よって、第２走査ミラー２０６ｂの反射面は「２次元的アークサイン補正面」であり、スクリーン２０７上における全ての走査線の光走査速度を一定に補正する効果を有する。
【０２００】
第３走査ミラー２０６ｃは、面内ｚ座標のプラス側から光束が入射してプラス側へ出射する反射面である。
図２７に示したように、主に垂直走査方向において凸面を有しており、偏向光束を垂直走査方向に拡散させている。また、水平走査方向の周辺部で水平走査方向が凹面としている、水平走査方向の周辺部に到達する垂直走査方向に並んだ偏向光束を、水平走査断面で見たときに同じ光路を通過するように、第３走査ミラー１０６ｃへ入射する偏向光束の向きを揃えている。これにより、スクリーン２０７上の縦線のＴＶディストーションならびに台形歪を補正することができる。
【０２０１】
図３１に実施例２の光走査装置における被走査面上における被走査面上における走査速度比を示す。
【０２０２】
図３１は、走査画像の中央付近を通過する走査線についての走査速度比を示したものであり、走査線全端に渡って光走査速度がほぼ一定であり、その誤差は最大で１.５６(%)である。
【０２０３】
図３２に実施例２の光走査装置における非走査面上における走査速度比を示す。
【０２０４】
図３２は、走査画像の下端（垂直0割像高）、下間（垂直2.5割像高）、中央（垂直5割像高）、上間（垂直7.5割像高）、上端（垂直10割像高）を通過する５本の走査線について、走査速度比を示したものである。このとき、走査速度比の誤差は最大で５.７８(%)であり、水平走査方向の光量分布の均一化において十分に補正することができる。
【０２０５】
このように、実施例２における光走査装置では、アークサイン補正面を用いることで水平走査方向の画像描画領域全面に渡って良好にアークサイン補正が行われている。
【０２０６】
図３３に実施例２の光走査装置における走査画像（格子）を示し、表−５にＴＶディストーションと台形歪みの値を示す。
【０２０７】
図３３に示したように、実施例２の光走査装置では、前述の２次元走査光学系２０６を用いて、ＴＶディストーションや台形歪みを良好に補正している。
ＴＶディストーションでは上辺が-０.０７（％）、下辺が０.０２（％）、左辺が-０.０２（％）、右辺が０.０２（％）と非常に小さな湾曲に補正している。また、台形歪みでは上辺及び下辺が０.００（％）、左辺が-０.０８（％）、右辺が０.０８（％）と非常に小さな歪みに補正している。このように、前述の２次元走査光学系２０６を用いることにより、走査画像のＴＶディストーションならびに台形歪みを良好に補正し、常に高品位な画像を被走査面７上に表示することができる。
【０２０８】
実施例２のように、２次元走査光学系２０６にアークサイン補正面を１面用いることで、１つの走査方向における等速走査性を確保することができる。また、斜め投影させる走査方向において光路を折り畳むように２枚の非回転対称反射面を偏心配置させることによってＴＶディストーションや台形歪などの走査歪を良好に補正することができる。
このとき、２枚の非回転対称反射面をアークサイン補正面とは別に設けると、アークサイン補正機能と走査歪補正機能とを独立に補正できるので、良好に補正することが可能となる。
【０２０９】
また、アークサイン補正する走査方向とは別の走査方向から斜め投影させると、アークサイン補正と走査歪補正とを独立に補正することができるので、良好な走査画像が得られる。
【０２１０】
また、実施例２のように、１次元方向に偏向する２つの偏向器を組み合わせて２次元偏向手段２０５を構成する場合には、正弦波駆動する偏向器を光源手段２０１側に配置するとアークサイン補正が容易になって良い。
【０２１１】
また、光源手段２０１からの入射光束を偏向手段２０５の反射面へ入射させる際、スクリーン２０７に対して斜めに入射させた走査方向と同一の走査方向から偏向手段２０５の反射面へ斜入射させることにより、２次元走査光学系２０６によって走査画像のＴＶディストーションや台形歪みをさらに良好に補正することができる。
【０２１２】
実施例２においても斜入射の方向は垂直走査方向であり、偏向手段２０５から２次元走査光学系２０６までの光路でみたとき、基準光束Ｌｖｃに対してスクリーン２０７への入射角が小さい偏向光束が通過するサイド（図中上側）から、入射光束を偏向手段２０５へ斜入射させている。これによって、ＴＶディストーションを更に良好に補正している。
【０２１３】
実施例２では、垂直走査方向において基準光線Ｌｖｃがスクリーン２０７に傾いて入射した斜め投影を行っている。
第１走査方向である水平走査方向の画角θｄ１＝±18.9(deg)、第２走査方向である垂直走査方向の画角θｄ２＝±9.00(deg)であり、走査画像の水平走査方向の幅Ｗｉ１＝286.67(mm)、第２走査方向の幅Ｗｉ２＝215.04(mm)であって、
【０２１４】
【数９】
2006178346.tif 000009
【０２１５】
となり、条件式（３）を満足している。
このように、第２走査方向である垂直走査方向の画角を小さく設定することで、２次元走査光学系２０６の小型化を図るとともに、水平走査方向に対して垂直走査方向の画角を小さな比率に設定することで、垂直走査方向の実質的な焦点距離を短く設定し、走査画像のＴＶディストーションや台形歪などの走査歪の補正を容易にしている。
２次元走査光学系２０６の水平走査方向の幅をＤｘ、垂直走査方向の幅をＤｙ、水平走査方向及び垂直走査方向とに垂直なＺ軸方向の幅をＤｚとしたとき、
Ｄｘ＝34.21(mm)
Ｄｙ＝26.26(mm)
Ｄｚ＝45.32(mm)
であり、数式（４）〜（６）の条件を満足している。
【０２１６】
これらにより、光走査装置がコンパクトなものとなり、この光走査装置を搭載する画像表示装置を小型化することができるメリットがある。
【０２１７】
このように、実施例２における２次元走査装置では、２次元走査光学系２０６を走査ミラーで構成したので色収差が発生せず、複数の波長を発する光源手段２０１を用いた場合でも常に色ずれのないカラー画像を表示することができる。
【０２１８】
光源手段２０１に用いる半導体レーザは、例えば、赤外半導体レーザから出射されたレーザ光を、分極反転構造を付けた光学結晶に入射させて波長を半分に変換して緑色や青色のレーザ光を発生させる波長変換レーザを用いても、実施例２と同様に本発明の効果を十分に得ることができる。
【実施例３】
【０２１９】
図３４（Ａ）に本発明の実施例３の光走査装置の水平走査断面図を示し、図３４（Ｂ）はその垂直走査断面図を示す。
【０２２０】
実施例３は、光源手段から発せられた光束を１枚のミラーにより成る偏向手段で２次元方向に偏向し、該偏向手段で偏向された光束を走査光学系で被走査面上に導光し、該偏向手段の偏向動作で、該被走査面上を光走査し、画像を形成している。
【０２２１】
図３４（Ａ），（Ｂ）において、光源手段３０１から発せられた発散光束は集光レンズ３０２により平行光束又は略平行光束に変換され、開口絞り３０３によって光束幅を制限されている。開口絞り３０３を通過した光束は、収束光変換光学系３０４によって所望な収束度を有した収束光束に変換され、後述する偏向手段３０５へ入射する入射光束となる。３０５は偏向手段であり、２次元方向に偏向可能な１つの偏向器から構成される。この２次元偏向手段３０５は、光源手段３０１からの入射光束を水平走査方向及び垂直走査方向に偏向している。高速走査を行う水平走査方向は正弦波で駆動し、低速走査を行う垂直走査方向は略等角速度で駆動して２次元的なラスタスキャンを行っている。
【０２２２】
図３５は、実施例３の偏向手段３０５である２次元方向に共振可能な偏向器の要部概略図である。
【０２２３】
図中、反射面３０５-１は、トーションバー３０５-２によって支持され、中間筐体３０５-３と接続される。また、中間筐体３０５-３はトーションバー３０５−４によって支持され、筐体３０５-５に接続されている。ここで、トーションバー３０５-２が捩れることにより反射面３０５-１が水平走査方向へ偏向し、トーションバー３０５-４が捩れることにより、中間筐体３０５-３に支持された反射面３０５-１が垂直走査方向に偏向する。これにより、偏向器３０５は反射面３０５-１を２次元方向に偏向可能としている。
【０２２４】
図３４において、３０６は２次元走査光学系であり、２枚の走査ミラー３０６ａ，３０６ｂと１枚の走査レンズ３０６ｃとで構成される。２次元走査光学系３０６は、２次元偏向手段３０５で反射偏向された偏向光束を被走査面７又はその近傍にスポットとして結像させている。そして、偏向手段３０５により偏向された偏向光束が２次元走査光学系３０６を介して被走査面３０７上に導光され、スクリーンとして成る被走査面３０７上を光走査している。
【０２２５】
実施例３においても、垂直走査方向において基準光線Ｌｖｃがスクリーン３０７に傾いて入射しており、入射角は18.1(deg)である。また、スクリーン３０７の上方に到達する偏向光束Ｌｖｕの入射角θｖｕは33.0(deg)であり、スクリーン３０７の下方に到達する偏向光束Ｌｖｌの入射角θｖｌは0.11(deg)である。
【０２２６】
図３６に実施例３の一部分の要部概要図を示す。
【０２２７】
実施例３では、２次元走査光学系３０６は２枚の走査ミラー３０６ａ，３０６ｂと１枚の走査レンズ３０６ｃで構成している。光源手段からの入射光束は平行光束であり、収束光変換光学系である集光レンズ３０４で収束光束に変換される。そして、収束光束は２次元偏向手段３０５で反射偏向され、平面ミラー３０９で折り返されて２次元走査光学系３０６を介し被走査面上３０７に到達している。
【０２２８】
この収束光束は、集光レンズ３０４の先約125(mm)に自然収束点を有する。集光レンズ３０４から２次元走査光学系３０６のうち最も被走査面３０７側に位置する光学素子である走査レンズ３０６ｃまでの光路長は、中心光束で55.1(mm)、最も長い偏向光束でも68.5(mm)であって、収束光束の自然収束点は、２次元走査光学系３０６と被走査面３０７との間に位置している。
【０２２９】
表-６に、実施例３の２次元走査光学系３０６の構成の諸数値を示す。
【０２３０】
第１走査ミラー３０６ａ、第２走査ミラー３０６ｂ、走査レンズの入射面３０６ｃｉ、走査レンズの出射面３０６ｃｏの各面はともに（ａ）式で表現される自由曲面形状を有しており、水平走査方向において左右対称であり、垂直走査方向において非対称な非回転対称面で形成している。また、各面ともに垂直走査方向においてシフト及びチルトを与えており、垂直走査方向において偏向光束の光路を折り畳むように配置している。
【０２３１】
実施例３も実施例１、２と同様に斜め投影方式を採用している。
２枚の非回転対称反射面３０６ａ，３０６ｂを斜め投影させた走査方向において偏向光束の光路を折り畳むように配置したことにより、走査画像のＴＶディストーションや台形歪みを良好に補正することができる。
【０２３２】
また、光源手段３０１からの入射光束を第１偏向器３０５ａの反射面へ入射させる際、斜め投影する走査方向と同じ走査方向から２次元偏向手段３０５の反射面へ斜入射させることにより、２次元走査光学系３０６によって走査画像のＴＶディストーションや台形歪みを良好に補正することができる。実施例３における斜入射の角度は２８(deg)である。
【０２３３】
実施例３においても斜入射の方向は垂直走査方向であり、偏向手段３０５から２次元走査光学系３０６までの光路でみたとき、基準光束Ｌｖｃに対してスクリーン３０７への入射角が小さい偏向光束Ｌｖｌが通過するサイド（図３６（Ｂ）下側）から、入射光束を第１偏向器３０５へ斜入射させている。これによって、ＴＶディストーションを更に良好に補正している。
【０２３４】
図３７には第１走査ミラー３０６ａの形状を示し、図３８には第２走査ミラー３０６ｂの形状を示すし、図３９（Ａ）には走査レンズ３０６ｃの入射面３０６ｃｉの形状を示し、図３９（Ｂ）には走査レンズ３０６ｃの出射面３０６ｃｏの形状を示す。
【０２３５】
図４０には走査ミラー３０６ａの水平走査方向の２階微分値を示し、図４１には第２走査ミラー３０６ｂの水平走査方向の２階微分値を示すし、図４２（Ａ）には走査レンズ３０６ｃの入射面３０６ｃｉの水平走査方向の２階微分値を示し、図４２（Ｂ）には走査レンズ３０６ｃの出射面３０６ｃｏの水平走査方向の２階微分値を示す。
【０２３６】
図４２（Ｂ）にあるように、走査レンズ３０６ｃの出射面３０６ｃｏは、水平走査方向の２階微分値が水平走査方向の中心から周辺へ向かうに従って徐々に増加している。これは、偏向光束を拡散させる方向である。そして、このような形状が垂直走査方向において連なった「２次元的アークサイン補正面」を形成している。
【０２３７】
２次元偏向手段３０５は、水平走査方向において正弦波駆動しており、水平走査方向の周辺部では光走査速度が低下する。
【０２３８】
実施例３は、走査レンズ３０６ｃの出射面３０６ｃｏを「２次元的アークサイン補正面」に構成することによって、水平走査方向の周辺部へ向かう偏向光束ほど、その進行方向を外側へ向かわせる構成とし、走査画像の中心から周辺へ向かうに連れて光走査速度を徐々に速めている。
【０２３９】
図４３に実施例３の光走査装置の被走査面３０７上における走査光の走査速度比を示す。
これは、スクリーン３０７上に表示された画像の中心を通過する走査線について、中心付近の光走査速度に対する各像高の走査速度比を示している。等速走査性の誤差は最大でも0.25%であり、走査線の全域に渡って精度良くアークサイン補正を実現していることが分かる。
【０２４０】
また、図４４には、実施例３の光走査装置の被走査面３０７上における走査光の走査速度比を示す。
【０２４１】
これは、垂直走査方向に並んだ走査線のうち、下端（像高0割）、下間（像高2.5割）、中央（像高5割）、上間（像高7.5割）、上端（像高10割）の５本の走査線における走査速度比を示している。
【０２４２】
等速走査性の誤差は最大でも0.84％であり、いずれの走査線においても等速走査を実現している。
【０２４３】
このように、走査レンズ３０６の出射面３０６ｃｏに「２次元的アークサイン補正面」を用いることにより、偏向手段の正弦波駆動による光走査速度と「２次元的アークサイン補正面」による光走査速度とを相殺させて、被走査面３０７上の光走査速度を均一に補正している。この形状を垂直走査方向に連ねることにより、走査画像を描く全ての走査線について、等速走査を実現している。
【０２４４】
これにより、光量ムラの無い高品位な２次元走査画像を得ている。
【０２４５】
実施例３では、映像信号は100(MHz)の高速変調が可能な電気回路によって供給されるが、高速変調だけでも電気回路に掛かる負担は大きいものであった。これに加えて、従来では、正弦波駆動によって生じる走査速度の不均一性に合わせて映像信号を不等間隔に与える必要があり、更に1/4画素の精度で制御する必要があったため更に４倍もの周波数が必要であり、電気回路に掛かる負担は膨大なものであった。
【０２４６】
実施例３では、２次元的アークサイン補正面の効果によって、走査画像の全領域において高精度な等速走査補正ができるので、映像信号を一定間隔で与えることが可能となり、電気回路の負担を軽減することができる。
【０２４７】
図４５に実施例３の光走査装置における走査画像を示す。
【０２４８】
走査画像として描かれた格子が等間隔に並んでいることが分かる。特には、縦線が等間隔に並んでいる。
【０２４９】
これは、１回の水平走査中に時間等間隔で光源を点灯させて縦線を描いたものであり、その縦線が空間的に等間隔に並んでいることから、等速走査性の効果が発揮されている。
【０２５０】
また、表-７にＴＶディストーションと台形歪の値を示す。
【０２５１】
ＴＶディストーションは上辺で0.03%、下辺で0.00%、左辺で0.01%、右辺で-0.01%であり、台形歪は上辺で0.00%、下辺で0.00%、左辺で-0.01%、右辺で0.01%であって、ＴＶディストーションならびに台形歪を良好に補正している。
【０２５２】
また、実施例３の光走査装置においても、前記第１走査方向である水平走査方向における画角をθｄ１、第２走査方向である垂直走査方向における画角をθｄ２とし、被走査面上に表示された画像の前記第１走査方向における幅をＷｉ１、前記第２走査方向における幅をＷｉ２としたとき、
【０２５３】
【数１０】
2006178346.tif 000010
【０２５４】
となり、条件式（３）を満足している。
【０２５５】
このように、第２走査方向である垂直走査方向の画角を小さく設定すると、斜め投影による台形歪を補正し易くなる。更に、２次元走査光学系３０６の走査ミラー３０６ａ，３０６ｂで光路を垂直走査方向に折り畳む場合には、２次元走査光学系３０６の小型化を図ることができる。
２次元走査光学系３０６の水平走査方向の幅をＤｘ、垂直走査方向の幅をＤｙ、水平走査方向及び垂直走査方向とに垂直なＺ軸方向の幅をＤｚとしたとき、
Ｄｘ＝３９.８４ (mm)
Ｄｙ＝１４.３９ (mm)
Ｄｚ＝２２.４９ (mm)
であり、数式（４）〜（６）の条件を満足している。
さらに、偏向手段３０５の中で最も被走査面３０７に近い位置から２次元走査方向系３０６の最も被走査面に近い位置までのＺ軸方向の距離をＬｄとしたとき、
Ｌｄ＝４０.８７ (mm)
であり、数式（７）の条件を満足している。
【０２５６】
これらにより、２次元走査装置が非常にコンパクトなものとなり、この２次元走査装置を搭載する画像表示装置を小型化することができるメリットがある。
【０２５７】
このように、２枚の自由曲面走査ミラー３０６ａ，３０６ｂと２次元的アークサイン補正面を有する走査レンズ３０６ｃを２次元走査光学系３０６として用いて、２次元的な等速走査と走査歪補正を両立させている。
【０２５８】
また、被走査面３０７に近づく程、各画角の偏向光束が広がって光学面の有効部が大きくなる。このとき、反射面を用いた場合、光路の干渉を回避する為や、偏心させた配置する必要があるために、有効部の大きさが走査光学系３０６の光軸方向（Ｚ軸方向）のサイズに大きな影響を与えてしまう。実施例３では、有効部の大きさの影響を殆ど受けることなく、走査光学系をコンパクトに構成している。
【０２５９】
更に、走査レンズ３０６ｃをメニスカス形状とすることで、光学パワーをキャンセルさせて出射方向のみを自由に設定することが可能となる。よって、走査光学系３０６の最終面を屈折面とし、その面を「２次元的アークサイン補正面」として効果的にアークサイン補正を行っている。
【０２６０】
実施例３においては、走査光学系３０６の最も被走査面３０７側に走査レンズ３０６ｃを配置している。走査レンズ３０６ｃの出射面を「２次元的アークサイン補正面」とし、水平走査方向において被走査面３０７側に凹のメニスカス形状としている。
【０２６１】
こうして、複数並んだ全ての走査線において、等速走査性を精度良く実現し、光量ムラや画素位置ズレ、そして走査歪の無い常に高品位な２次元走査画像を得ている。
【０２６２】
実施例３における光走査装置では、基準光線がスクリーンへ傾いて入射する走査方向において、全ての偏向光束がスクリーンへ入射する角度が０.００(deg)以上としたが、これに限ったものではなく、マイナスの角度で入射する偏向光束があっても本発明の効果を十分に得ることができる。
【０２６３】
図４６に眼球の網膜上を光走査して画像を表示する網膜走査型表示装置の概要図を示す。
【０２６４】
本発明の実施例１〜３ではプロジェクタに用いる２次元走査光学系を有する光走査装置を例に挙げたが、これに限ったものではなく、例えば図４６に示したようなファインダーやＨＭＤ用の網膜走査型表示装置に用いても良い。図中３１０は、本発明の光走査装置であり、被走査面としてなる透過型拡散板３０７上に図示しない光源手段からの光束を光走査して走査画像を形成している。透過型拡散板３０７からの拡散光束を接眼光学系３１１を用いて観察者の眼３１３に導光し、瞳３１４を通して網膜３１５上に結像させている。
【０２６５】
このように、観察者の眼３１３にある網膜３１５上を光走査して走査画像を表示している。
この網膜走査型表示装置に、本発明の光走査装置を用いても効果を十分に得ることができる。
【０２６６】
【表１】
2006178346.tif 000011
【０２６７】
【表２】
2006178346.tif 000012
【０２６８】
【表３】
2006178346.tif 000013
【０２６９】
【表４】
2006178346.tif 000014
【０２７０】
【表５】
2006178346.tif 000015
【０２７１】
【表６】
2006178346.tif 000016
【０２７２】
【表７】
2006178346.tif 000017
【図面の簡単な説明】
【０２７３】
【図１】実施例１における光走査装置の斜視図
【図２】実施例１における光走査装置の断面図
【図３】ＭＥＭＳデバイスの要部概要図
【図４】実施例１における２次元走査光学系の要部概要図
【図５】実施例１における第１走査ミラーの形状の要部概要図
【図６】実施例１における第２走査ミラーの形状の要部概要図
【図７】実施例１における走査レンズの入射面・出射面の形状の要部概要図
【図８】実施例１における走査レンズの入射面・出射面の２階微分値の要部概要図
【図９】実施例１における走査速度比の要部概要図
【図１０】実施例１における走査速度比の要部概要図
【図１１】実施例１における走査画像（格子）の要部概要図
【図１２】比較例１における走査画像（格子）の要部概要図
【図１３】比較例１における走査速度比の要部概要図
【図１４】比較例２における走査画像（格子）の要部概要図
【図１５】偏向面内入射の入射方式を説明する図
【図１６】斜入射による走査線曲がりを説明する図
【図１７】実施例１における第１走査ミラーの２階微分値の要部概要図
【図１８】実施例１における第２走査ミラーの２階微分値の要部概要図
【図１９】ＴＶディストーションならびに台形歪みの算出方法の説明図
【図２０】実施例１における走査型画像表示装置の要部概要図
【図２１】実施例１における走査型画像表示装置の要部概要図
【図２２】実施例１における走査型画像表示装置の要部概要図
【図２３】実施例２における２次元走査装置の断面図
【図２４】実施例２における光源ユニットの要部概要図
【図２５】実施例２における第１走査ミラーの形状の要部概要図
【図２６】実施例２における第２走査ミラーの形状の要部概要図
【図２７】実施例２における第３走査ミラーの形状の要部概要図
【図２８】実施例２における第１走査ミラーの２階微分値の要部概要図
【図２９】実施例２における第２走査ミラーの２階微分値の要部概要図
【図３０】実施例２における第３走査ミラーの２階微分値の要部概要図
【図３１】実施例２における走査速度比の要部概要図
【図３２】実施例２における走査速度比の要部概要図
【図３３】実施例２における走査画像（格子）の要部概要図
【図３４】実施例３における２次元走査装置の断面図
【図３５】実施例３における２次元偏向器の要部概要図
【図３６】実施例３における２次元走査光学系の要部概要図
【図３７】実施例３における第１走査ミラーの形状の要部概要図
【図３８】実施例３における第２走査ミラーの形状の要部概要図
【図３９】実施例３における走査レンズの形状の要部概要図
【図４０】実施例３における第１走査ミラーの２階微分値の要部概要図
【図４１】実施例３における第２走査ミラーの２階微分値の要部概要図
【図４２】実施例３における走査レンズの２階微分値の要部概要図
【図４３】実施例３における走査速度比の要部概要図
【図４４】実施例３における走査速度比の要部概要図
【図４５】実施例３における走査画像（格子）の要部概要図
【図４６】実施例３における走査型画像表示装置の要部概要図
【符号の説明】
【０２７４】
１０１，２０１，３０１  光源手段（半導体レーザ）
１０２，２０２，３０２  集光レンズ（コリメータレンズ）
１０３，２０３，３０３  開口絞り
１０４，２０４，３０４  収束光束変換光学系
１０５，２０５，３０５  偏向手段（偏向器：ＭＥＭＳミラー、ガルバノミラー）
１０６，２０６，３０６  ２次元走査光学系（走査ミラー、プリズム、走査レンズ）
１０７，２０７，３０７  被走査面（スクリーン）
２０８           合成手段（ダイクロイックプリズム）
３０９                折り返しミラー
１０８，１０９          走査線（往路走査線、復路走査線）
１１０           被走査面の有効エリア
１１１           走査帰線
１１２           垂直走査方向
１１３           光源部の制御回路
１１４           水平走査手段の駆動手段
１１５           垂直走査手段の駆動手段
１１６           光路
１１７           水平走査手段の揺動向き
１１８           垂直走査手段の揺動向き
１１９           水平走査手段の駆動回路
１２０           垂直走査手段の駆動回路
１２１           機器の制御回路
１２２           携帯機器
１２３           本体
１２４           投射表示部
１２５           入力部
１２６           表示部
１２７           アンテナ
１２８           表示画像、表示文字
１２９           走査型画像表示装置
１３０           本体部
１３１           ヘッド部
１３２           接続部
１３３           携帯情報端末
１３４           ケーブル
３１０                  光走査装置
３１１                  接眼光学系
３１２                  網膜走査型表示装置
３１３                  観察者の眼
３１４                  瞳
３１５                  網膜
【図１】
2006178346.tif 000020
【図２】
2006178346.tif 000021
【図４】
2006178346.tif 000022
【図５】
2006178346.tif 000023
【図６】
2006178346.tif 000024
【図７】
2006178346.tif 000025
【図８】
2006178346.tif 000026
【図１６】
2006178346.tif 000027
【図１７】
2006178346.tif 000028
【図１８】
2006178346.tif 000029
【図１９】
2006178346.tif 000030
【図２２】
2006178346.tif 000031
【図２３】
2006178346.tif 000032
【図２４】
2006178346.tif 000033
【図２５】
2006178346.tif 000034
【図２６】
2006178346.tif 000035
【図２７】
2006178346.tif 000036
【図２８】
2006178346.tif 000037
【図２９】
2006178346.tif 000038
【図３０】
2006178346.tif 000039
【図３７】
2006178346.tif 000040
【図３８】
2006178346.tif 000041
【図３９】
2006178346.tif 000042
【図４０】
2006178346.tif 000043
【図４１】
2006178346.tif 000044
【図４２】
2006178346.tif 000045
【図４６】
2006178346.tif 000046
【図３】
2006178346.tif 000047
【図９】
2006178346.tif 000048
【図１０】
2006178346.tif 000049
【図１１】
2006178346.tif 000050
【図１２】
2006178346.tif 000051
【図１３】
2006178346.tif 000052
【図１４】
2006178346.tif 000053
【図１５】
2006178346.tif 000054
【図２０】
2006178346.tif 000055
【図２１】
2006178346.tif 000056
【図３１】
2006178346.tif 000057
【図３２】
2006178346.tif 000058
【図３３】
2006178346.tif 000059
【図３４】
2006178346.tif 000060
【図３５】
2006178346.tif 000061
【図３６】
2006178346.tif 000062
【図４３】
2006178346.tif 000063
【図４４】
2006178346.tif 000064
【図４５】
2006178346.tif 000065