(57)【要約】  光源から出射されたビームを走査する走査装置は、前記光源から出射されたビームを集光するビーム集光部と、前記ビーム集光部の出射側に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを発散させるビーム発散部と、前記ビーム集光部と前記ビーム発散部との間に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを走査する第１の走査部と、前記第１の走査部の走査角に応じて前記ビーム集光部及び前記ビーム発散部のうち、少なくとも一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させる移動部とを備えている。
2011074572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射されたビームを走査する走査装置であって、
前記光源から出射されたビームを集光するビーム集光部と、
前記ビーム集光部の出射側に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを発散させるビーム発散部と、
前記ビーム集光部と前記ビーム発散部との間に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを走査する第１の走査部と、
前記第１の走査部の走査角に応じて前記ビーム集光部及び前記ビーム発散部のうち、少なくとも一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させる移動部とを備えている走査装置。
【請求項２】
前記移動部は、前記第１の走査部の走査角に応じて、ビームの焦点が被投射面に位置させるように、前記ビーム集光部を移動させる請求項１記載の走査装置。
【請求項３】
前記移動部は、前記第１の走査部の走査角に応じて、単位時間辺りの走査変位が被投射面上において等間隔となるように、前記ビーム発散部を移動させる請求項１または請求項２記載の走査装置。
【請求項４】
前記ビーム集光部と前記第１の走査部との間に配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記第１の走査部との間に配置された１／４波長板とをさらに備えている請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の走査装置。
【請求項５】
前記偏光ビームスプリッタと前記ビーム発散部との間に第２の走査部を配置している請求項４記載の走査装置。
【請求項６】
前記ビーム集光部と前記第１の走査部との間に配置されたミラーをさらに備え、
前記ミラーは前記第１の走査部への入射角が４５度未満になるように配置されている請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の走査装置。
【請求項７】
前記光源は、それぞれの偏光方向が直交したビームを出射する第１の光源及び第２の光源を有し、
前記光源は、前記第１の光源及び前記第２の光源と前記ビーム集光部との間に、前記第１の光源及び前記第２の光源から出射されたビームを合成する光合成部をさらに有している請求項６記載の走査装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の走査装置を有する画像表示装置であって、
ビームを外部の被投射面上に走査して画像を表示する画像表示装置。
【請求項９】
前記ビーム集光部と前記第１の走査部との距離、及び前記ビーム発散部と前記第１の走査部との距離を前記第１の走査部の走査角に応じて制御する信号処理部をさらに有している請求項８記載の画像表示装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９記載の画像表示装置の制御方法であって、
ビームの焦点を常に所定の被投射面内に位置させるように、前記ビーム集光部と前記第１の走査部との距離を変化させることを含む画像表示装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査装置、画像表示装置及びその制御方法に関する。本発明は、特にレーザー光を走査して被投射面上に画像を表示する走査装置、画像表示装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ハロゲンランプや高圧水銀ランプ等の光源から出射されたインコヒーレント光を液晶ライトバルブ等の面状の画像表示素子に投射し、その画像表示素子からの出射光を、投射レンズで被投射面に拡大投射して画像を表示する投射型画像表示装置が知られている。【０００３】
このような投射型画像表示装置では、インコヒーレント光が使用されているため、電力消費が大きいという問題や、表示画像の輝度が小さいという問題があった。また、光源から出射されるインコヒーレント光の波長帯域が広いため、色度域を広くすることが困難であった。さらに、画像表示素子として面状の画像表示素子が使用されているため、装置の小型化が困難であった。また、表示画像が投射レンズの焦点深度以内に投射されないと、その表示画像のピントが合わない。そのため、使用者は被投射面の位置に応じてピントを調節する必要があり、利便性を損ねるという問題もあった。【０００４】
上述した問題を解決するための技術として、レーザー光を出射するレーザー光源を用いた画像表示装置が提案または開発されている。このような画像表示装置には、光源から出射されたレーザー光を、走査部によって２次元走査（水平走査及び垂直走査）して被投射面に投射することで、画像を表示する走査型画像表示装置がある。【０００５】
上述した走査型画像表示装置において、短い投射距離で大きな画面を投射するためには、走査角度の大きい走査部が必要である。走査部として、例えば共振型マイクロメカニカルミラーやガルバノスキャナ等を用いることができる。この場合、走査角度を大きくすると駆動用の静電アクチュエータや電磁アクチュエータの駆動電流が増し、消費電力が大きくなるという問題がある。また、共振型マイクロメカニカルミラーは走査角度が大きくなると、装置の耐久性が低下し、ミラーを回動可能に支持するヒンジ部等が破断する虞がある。このため、信頼性を得ることが困難であった。【０００６】
上述した問題を解決して、走査部の走査角度を大きくするための技術として、例えば特許文献１に開示された走査装置がある。図１４は、特許文献１に記載の走査装置を説明するための図である。
図１４に示す走査装置では、図示しない光源から出射側にかけて、走査部１３１、集光レンズＧ１及び発散レンズＧ２が配置されている。これらは、集光レンズＧ１の出射側の焦点位置ｆ１と、発散レンズＧ２の入射側の焦点位置ｆ２とが一致するように配置されている。この構成によれば、発散レンズＧ２から出射されるレーザー光の出射角θ２を、走査部１３１から集光レンズＧ１に入射するレーザー光の入射角θ１よりも大きくすることができる。その結果、被投射面（不図示）上で大きな走査範囲を得ることができる。【０００７】
このような走査型画像表示装置では、ピントを調節できる範囲が広げ、かつ高精細な画像を表示するために、被投射面上にビームウエストを配置するような構成がある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】日本国特開２００５−１８０４０号公報
【特許文献２】日本国特開２００３−２１８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上にビームウエストを配置して、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像を表示するための技術が開発されている。【００１０】
図１５Ａに示す画像表示装置では、焦点距離ｆ２の発散レンズ１４２が、Ａ点と、Ｂ点との間に配置されている。Ａ点は、焦点距離ｆ１の集光レンズ１４１の出射側の焦点である。Ｂ点は、Ａ点から光源側に焦点距離ｆ２だけ移動させた点である。Ａ点とＢ点との間で集光レンズ１４１と発散レンズ１４２との相対距離を変化させることで、被投射面１４３上にビームウエストが配置されるように調整できると考えられる。【００１１】
しかしながら、図１５Ａに示す構成において、集光レンズ１４１と発散レンズ１４２との距離を変えると、この距離の変化に応じて発散レンズ１４２から出射される出射角、すなわち走査角が変動してしまう。
具体的には、図１５Ｂに示すように、被投射面１４３が発散レンズ１４２から遠い場合、図１５Ｃ示すように、被投射面１４３が近い場合に比べて、走査角θ’が小さくなる。このことは、投射距離に比例して画像が大きく投射されるという走査型画像表示装置の利点を損ねてしまう原因となる。【００１２】
図１５Ｄに示すように、走査角θ’の異なる２つのビーム１４４，１４５は光路長が異なる。この場合、光路長の異なるビーム（例えば、ビーム１４４，１４５）のビームウエストを、ともに被投射面１４３上に配置するために、例えば、走査角θ’の変動に同期して集光レンズ１４１と発散レンズ１４２との距離を変える制御をすることが考えられる。ところが、このように構成すると、走査角θ’の拡大率（走査部１３１から集光レンズ１４１に入射する入射角に対する発散レンズ１４２からの出射角）まで変化してしまう。そのため、ビームウエスト調整と走査角調整とを独立に制御することが困難であるという問題がある。そのため、被投射面１４３上の全画面でピントのあった高精細な画像表示を簡易に行うのが困難であった。【００１３】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされた。本発明の目的の一例は、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる走査装置、画像表示装置、及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記問題を解決するために、本発明による光源から出射されたビームを走査する走査装置は、前記光源から出射されたビームを集光するビーム集光部と、前記ビーム集光部の出射側に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを発散させるビーム発散部と、前記ビーム集光部と前記ビーム発散部との間に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを走査する第１の走査部と、前記第１の走査部の走査角に応じて前記ビーム集光部及び前記ビーム発散部のうち、少なくとも一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させる移動部とを備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、第１の走査部の出射側にビーム発散部を配置することで、第１の走査部からビーム発散部に入射するビームの入射角よりも、ビーム発散部から出射する出射角を大きくすることができる。そのため、被投射面での走査範囲を第１の走査部の走査角よりも大きくすることができる。
特に、第１の走査部の走査角に応じてビーム集光部及びビーム発散部のうち、何れか一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させることで、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態における走査装置の構成を示した概略構成図である。
【図２Ａ】図１に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の動作原理を説明するための説明図である。
【図２Ｂ】図１に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の動作原理を説明するための説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるレンズ間隔ＤとバックフォーカスＢＦとの関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の走査角拡大倍率を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態における間隔ｓと走査角拡大倍率β／αの関係を示したグラフである。
【図６Ａ】本発明の第１実施形態における画像表示装置を示す概略構成図である。
【図６Ｂ】本発明の第１実施形態における画像表示装置を示す概略構成図である。
【図７Ａ】本発明の第１実施形態における画像表示装置の動作を説明するための説明図である。
【図７Ｂ】本発明の第１実施形態における画像表示装置の動作を説明するための説明図である。
【図７Ｃ】本発明の第１実施形態における画像表示装置の動作を説明するための説明図である。
【図８Ａ】本発明の第１実施形態における画像表示装置の他の動作を説明するための説明図であり、画像表示装置の要部を示す拡大図である。
【図８Ｂ】本発明の第１実施形態における画像表示装置の他の動作を説明するための説明図であり、発散レンズの移動量と垂直走査部の走査角度とのタイミングチャートである。
【図９Ａ】本発明の第２実施形態の走査装置の構成を説明するための図であり、走査装置の概略構成図である。
【図９Ｂ】本発明の第２実施形態の走査装置の構成を説明するための図であり、走査部の概略構成図である。
【図１０Ａ】本発明の第３実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図であり、走査装置の平面図である。
【図１０Ｂ】本発明の第３実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図であり、走査装置の斜視図である。
【図１１】本発明の第４実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図１２Ａ】本発明の第５実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図１２Ｂ】本発明の第５実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図１３】本発明の他の実施形態の構成を示す走査装置の概略構成図である。
【図１４】従来の走査装置を説明するための図である。
【図１５Ａ】従来の走査装置を説明するための図である。
【図１５Ｂ】従来の走査装置を説明するための図である。
【図１５Ｃ】従来の走査装置を説明するための図である。
【図１５Ｄ】従来の走査装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
（第１実施形態）
（走査装置）
図１は、本発明の第１実施形態における走査装置の構成を示した概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の走査装置１０は、レーザー光源５と、集光レンズ（ビーム集光部）１と、走査部（第１の走査部）２と、発散レンズ（ビーム発散部）３と、移動部４とを備えている。レーザー光源５は、レーザー光（ビーム）を出射する。集光レンズ１は、レーザー光源５で出射されたレーザー光を集光する。走査部２は、集光レンズ１から出射したレーザー光が入射され、レーザー光を走査する。発散レンズ３は、走査部２によって走査されたレーザー光を発散させる。移動部４は、集光レンズ１及び発散レンズ３をそれぞれの光軸方向に沿って独立して移動させる。
【００１８】
この走査装置１０では、レーザー光源５から出射されたレーザー光が、集光レンズ１によって集光され、走査部２に走査された後、発散レンズ３で発散され、焦点面６上に投射される。
【００１９】
図２Ａおよび図２Ｂは図１に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の動作原理を説明するための説明図である。以下の動作は発散レンズ３と走査部２との間隔ｓを一定に維持した状態で、集光レンズ１のみを移動させる動作である。このため、図２Ａおよび図２Ｂにおいては発散レンズ３の移動部４の図示を省略している。
図２Ａにおいて、集光レンズ１と発散レンズ３とのレンズ間隔（レーザー光の光軸上の間隔）はＤ、走査部２と発散レンズ３との間隔はｓに設定されている。この場合、発散レンズ３から焦点面６までの距離、すなわちバックフォーカスはＢＦになっている。
図２Ｂにおいては、図２Ａの状態に対して、走査部２と発散レンズ３との間隔sを一定に維持する一方、移動部４によって集光レンズ１を光軸方向における出射側に移動させている。この場合、集光レンズ１と発散レンズ３とのレンズ間隔はＤ’（Ｄ＞Ｄ’）に設定されている。
【００２０】
集光レンズ１と発散レンズ３との間隔が、図２Ａにおけるレンズ間隔Ｄから図２Ｂにおけるレンズ間隔Ｄ’に変化すると、バックフォーカスはＢＦからＢＦ’へと変化して焦点距離が変化する（ＢＦ＜ＢＦ’）。集光レンズ１及び発散レンズ３の焦点距離をそれぞれｆｄ，ｆｃと表記するこの場合、レンズ間隔ＤとバックフォーカスＢＦとの関係は以下の数式１で表される。
【００２１】
【数１】
2011074572.tif 000003
【００２２】
図３は、集光レンズ１の焦点距離ｆｃが４０ｍｍ、発散レンズ３の焦点距離ｆｄが−２７ｍｍである場合における、レンズ間隔ＤとバックフォーカスＢＦとの関係を示すグラフである。
図３に示すように、上述した数式１に基づいて、レンズ間隔Ｄを例えば１４ｍｍから１６ｍｍへと２ｍｍだけ移動させると、バックフォーカスＢＦは７００ｍｍから２２０ｍｍと大きく変化していることがわかる。
【００２３】
図４は、図１に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の走査角拡大倍率を説明するための説明図である。なお、走査角拡大倍率とは走査部２から出射されるレーザー光１１と、発散レンズ３の光軸１３とのなす角度（走査部２の走査角）αに対する、発散レンズ３から出射されるレーザー光１２と、光軸１３とのなす角度（発散レンズ３からの出射角）βの倍率である（β／α）。
図４に示すように、レーザー光１２及び光軸１３の交点１４と発散レンズ３との間隔をｓ’とすると、間隔ｓ’、角度α、及び角度βの関係は以下の数式２及び数式３で表せられる。そして、数式２及び数式３からｓ’を消去すると、数式４を得ることができる。
【００２４】
【数２】
2011074572.tif 000004
【００２５】
【数３】
2011074572.tif 000005
【００２６】
【数４】
2011074572.tif 000006
【００２７】
発散レンズ３の焦点距離ｆｄが固定であれば、数式４より走査角拡大倍率は走査部２と発散レンズ３の間隔ｓのみに依存することがわかる。そこで、本実施形態では、発散レンズ３を固定し、移動部４によって集光レンズ１を光軸方向に沿って移動させることで、間隔ｓを一定に維持した状態でレンズ間隔Ｄを可変にする。そのため、レンズ間隔Ｄを可変にしても走査角拡大倍率β／αは変化しない。
【００２８】
図５は、図３と同様の条件である集光レンズ１の焦点距離ｆｃを４０ｍｍ、発散レンズ３の焦点距離ｆｄを−２７ｍｍにした場合の、間隔ｓと走査角拡大倍率β／αの関係を示したグラフである。
図５に示すように、例えば、間隔ｓを１４ｍｍとすると、走査角拡大倍率β／αは約１．５倍となる。この状態において、集光レンズ１を移動させてレンズ間隔Ｄを例えば１４ｍｍから１６ｍｍへと２ｍｍだけ移動させると、走査角拡大倍率β／αは１．５倍のまま、図３で示したとおりバックフォーカスＢＦは７００ｍｍから２２０ｍｍと変化させることができる。
【００２９】
（画像表示装置）
図６Ａおよび図６Ｂは、本実施形態の画像表示装置を示す概略構成図である。
図６Ａに示すように、本実施形態の画像表示装置５０は、上述した走査装置１０と、信号処理装置（信号処理部）２１と、駆動装置２２とを備えている。信号処理装置２１は、映像信号２３を変調信号２４と同期信号２５とに分離する。駆動装置２２は、信号処理装置２１から出力される同期信号２５に基づいて移動部４を駆動させる。同期信号２５は、走査部２の走査角αに応じて移動部４を駆動させる。本実施形態の画像表示装置５０において、画像精細度は水平１２８０画素、垂直１０２４画素に設定され、画面サイズは投射距離１００ｃｍにおいて水平１６０ｃｍ、垂直１２０ｃｍに設定されている。しかしながら、画像精細度は他の画素数を適用してもよい。
【００３０】
図６Ｂに示すように、レーザー光源５は、赤色レーザー３２と、緑色レーザー３３と、青色レーザー３４と、色合成部３５とを備えている。赤色レーザー３２は、赤色のレーザー光を発生させる。緑色レーザー３３は、緑色のレーザー光を発生させる。青色レーザー３４は、青色のレーザー光を発生させる。色合成部３５は、各レーザー３２〜３４の出力光を合成するダイクロックミラー等であってもよい。
【００３１】
赤色レーザー３２には波長６４０ｎｍの半導体レーザー、青色レーザー３３には波長４４０ｎｍの半導体レーザーが好適に用いられている。赤色レーザー３２、青色レーザー３３の変調は電流制御によって行われる。
緑色レーザー３４には、波長１０６４ｎｍの赤外レーザーの第２高調波５３２ｎｍによるレーザー光源が好適に用いられている。緑色レーザー３４の変調には音響光学素子が用いられている。この他に、緑色レーザー３４の変調は赤外レーザーを変調して第２高調波に変換する方法を用いてもよく、ファイバーレーザーや、半導体レーザー等を用いても構わない。各レーザー３２〜３４のビーム直径は９００μｍ程度である。
半導体レーザーを光源とする場合、スペックルを低減する目的で、レーザー光源の映像変調電流に高周波電流（例えば、周波数３００ＭＨｚ程度）を重畳しても構わない。
レーザーの強度変調は、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、各種光変調器等を用いることが可能である。レーザーの強度変調は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。レーザー３２〜３４は、走査部２と同期して画素クロック（１２．７ｎｓｅｃ）の１／６以下の２ｎｓｅｃ単位で発光タイミング・強度制御を行う。
【００３２】
走査部２を水平走査させる場合には、走査部２として共振型マイクロメカニカル走査素子を用いる。共振型マイクロメカニカル走査素子は、往復走査で使用し、振れ角±２０°、周波数３１ＫＨｚで駆動させる。共振型マイクロメカニカル走査素子としては、３１ＫＨｚの駆動に耐えられる直径１４００μｍのサイズの円形ミラーを用いることが好ましい。
走査部２を垂直走査させる場合には、走査部２としてガルバノミラーを用いる。ガルバノミラーは、振れ角±１５°、６０Ｈｚのノコギリ波で駆動させる。この場合、ガルバノミラーとしては、１５００μｍ×６０００μｍ程度のサイズの矩形ミラーを用いることが好ましい。
【００３３】
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。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、コリメートされたビーム径より大きければ他のサイズ・形状であってもよい。
【００３４】
本実施形態の画像表示装置５０では、信号処理装置２１に映像信号２３が入力されると、信号処理装置２１にて映像信号２３は変調信号２４と同期信号２５とに分離される。変調信号２４はレーザー光源５に入力され、同期信号２５に同期してレーザー光源５を変調する。同期信号２５は駆動装置２２に入力され、同期信号２５のタイミングに応じて移動部４を駆動する。
【００３５】
（画像表示装置の動作方法）
図７Ａ〜７Ｃは上述した画像表示装置の動作を説明するための説明図である。以下の説明では、走査装置１０によってレーザー光を垂直走査する場合について説明する。すなわち、図７Ａ〜７Ｃに示す走査装置１０では、集光レンズ１と発散レンズ３とを互いの光軸が直交するように配置するとともに、各レンズ１，３の光軸の交点に垂直走査部７１を配置している。符号７２は発散レンズ３から出射されるレーザー光を投射する被投射面である。集光レンズ１の焦点距離ｆｃは４０ｍｍ、発散レンズ３の焦点距離ｆｄは−２７ｍｍである。
【００３６】
図７Ａに示す状態は、集光レンズ１から出射されて垂直走査部７１によって偏向される向き（発散レンズ３からの出射角β）が０°の場合である。この場合、発散レンズ３から被投射面７２までの光路長ｌ１は、発散レンズ３から水平方向（光軸方向）に沿って３００ｍｍとなっている。この被投射面７２の位置は、走査角αが０°の場合におけるバックフォーカスＢＦに一致するように配置されている。図７Ａにおいて、集光レンズ１と発散レンズ３とのレンズ間隔（光軸上の間隔）Ｄは、１５．２ｍｍに設定されている。
【００３７】
図７Ｂの状態は、垂直走査部７１によって偏向される向き（発散レンズ３からの出射角β）が６０°の場合である。この場合の発散レンズ３から被投射面７２までの光路長ｌ２は６００ｍｍとなる。
そのため、図７Ｂの状態において、数式１及び図３に基づいて、レンズ間隔Ｄを１５．２ｍｍから１４．２ｍｍへ１ｍｍ（符号ｍ）だけ集光レンズ１を発散レンズ３側（集光レンズ１の出射側）に移動させる。すると、バックフォーカスＢＦは３００ｍｍから６００ｍｍへと変化し、ビームウエストを被投射面７２上に配置することができる（図３参照）。
【００３８】
図７Ｃは集光レンズの移動量と垂直走査部の走査角度とのタイミングチャートである。図中Ｔｖは、垂直走査素子７１の走査期間（周期）を示している。
このように、本実施形態では、図７Ｃに示すように、垂直走査部７１と同期して集光レンズ１を数式１に従って移動させると、常にビームウエストを被投射面７２上に配置することが可能となる。
【００３９】
集光レンズ１を移動させる移動部４には、ボイスコイルモータ等を用いることができる。数式１で示される設計条件であれば、集光レンズ１、発散レンズ３の焦点距離ｆｄ、集光レンズ１の移動量ｍは適宜変更することができる。移動部４としては、ボイスコイルモータ等の磁気アクチュエータの他に、ピエゾ素子等の静電アクチュエータを用いてもよい。
【００４０】
したがって、本実施形態によれば、垂直走査部７１（走査部２）の出射側に発散レンズ３を配置することで、垂直走査部７１から発散レンズ３に入射するレーザー光の入射角よりも、発散レンズ３から出射する出射角を大きくすることができる。そのため、被投射面７２での走査範囲を垂直走査部７１の走査角よりも大きくすることができる。
特に、集光レンズ１と発散レンズ３との間に垂直走査部７１を配置し、垂直走査部７１の走査角αに応じて集光レンズ１を移動させることで、上述したように走査角拡大倍率（β/α）を変化させずに、被投射面７２にビームウエストを配置することができる。
すなわち、被投射面７２にビームウエストを配置するために、集光レンズ１と発散レンズ３との距離を変化させたとしても、垂直走査部７１で反射されて発散レンズ３に入射するレーザー光の入射角は変化しない。そのため、垂直走査部７１の走査角αに対する、発散レンズ３から出射されるレーザー光の出射角βが変化することはない。その結果、垂直走査部７１の走査角調整と集光レンズ１の移動によるビームウエスト調整とを同期させて行うことができる。よって、被投射面７２上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面７２上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。
【００４１】
図８Ａおよび図８Ｂは画像表示装置の他の動作を説明するための説明図である。図８Ａは画像表示装置の要部を示す拡大図である。図８Ｂは発散レンズの移動量と垂直走査部の走査角度とのタイミングチャートである。
走査変位Ｐ１，Ｐ２は、垂直走査部７１の単位走査角に対する被投射面７２上における単位時間辺りの走査変位である。図８Ａおよび図８Ｂに示すように、走査変位Ｐ１，Ｐ２が等間隔となるように、発散レンズ３の位置を移動させることで、走査における画像歪みを補正することができる（矢印Ｒ）。この場合、走査変位Ｐ１，Ｐ２は走査角拡大後の角度β（発散レンズ３からの出射角β）の正接である。角度βは走査変位の逆正接関数で求められる。角度βの制御は、発散レンズ３と走査部７１との間隔ｓを数式４にしたがって制御し、走査角拡大倍率（β/α）を変化させることで行う。上述した図７Ａ〜７Ｃで示される動作と図８Ａおよび図８Ｂで示される動作とを同時に行っても構わない。この場合、集光レンズ１を走査変位Ｐ１，Ｐ２に応じて数式１に従って移動させる。
【００４２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図９Ａおよび図９Ｂは本発明の第２実施形態の走査装置の構成を説明するための図である。図９Ａは走査装置の概略構成図である。図９Ｂは走査部の概略構成図である。
図９Ａおよび図９Ｂに示すように、第２実施形態の走査装置２００では、集光レンズ１よりも出射側において、偏光分離面９１ａを備えた偏光ビームスプリッタ９１が配置されている。集光レンズ１よりも出射側において、偏光ビームスプリッタ９１を間に挟むように走査部２及び発散レンズ３が配置されている。この場合、発散レンズ３の光軸は、偏光分離面９１ａにおいて集光レンズ１の光軸と直交するように配置されている。すなわち、偏光ビームスプリッタ９１における集光レンズ１との対向面に垂直な面と平行に走査部２及び発散レンズ３が配置されている。偏光ビームスプリッタ９１と走査部２との間には、１／４波長板９２が配置されている。
【００４３】
本実施形態の走査部２には、図９Ｂに示すように、ジンバル型走査ミラーが用いられている。この走査部２は、枠体９５と、走査ミラー９３と、一対の第１ヒンジ９４ａと、一対の第２ヒンジ９４ｂとを備えている。枠体９５は、平面視矩形状を有する。走査ミラー９３は、円形状を有し、枠体９５の中心に配置されている。一対の第１ヒンジ９４ａは、枠体９５における対向する辺の中心からそれぞれ枠体９５の中心に向かって延在し、走査ミラー９３を支持する。一対の第２ヒンジ９４ｂは、枠体９５の外側に向かって第１ヒンジ９４ａの延在方向に直交するように延在する。このような、走査部２では、第１ヒンジ９４ａ周りに走査ミラー９３を回動させるとともに、第２ヒンジ９４ｂ周りに枠体９５を回動させることで、水平走査・垂直走査を１つの走査ミラー９３で行うことができる。第１ヒンジ９４ａ周りが、水平走査方向ｈである。第２ヒンジ９４ｂ周りが、垂直走査方向ｖである。走査ミラー９３の直径は１０００μｍ程度に形成されている。
【００４４】
本実施形態において、レーザー光源５から出射するレーザー光は、偏光ビームスプリッタ９１の偏光分離面９１ａに対してＳ偏光であり、偏光分離面９１ａで反射されたレーザー光は１／４波長板９２を通過することで右回り円偏光になる。
その後、走査部２の走査ミラー９３で反射したレーザー光は左回り円偏光になり、再び１／４波長板９２を通過する。すると、１／４波長板９２を通過したレーザー光は偏光ビームスプリッタ９１の偏光分離面９１ａに対してＰ偏光となり、偏光分離面９１ａを透過する。偏光ビームスプリッタ９１を透過したレーザー光は、発散レンズ３に入射する。
【００４５】
本実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態によれば、レーザー光が走査ミラー９３に対して垂直入射するため、上述した第１実施形態の垂直走査部７１のように、斜めに入射することがない。そのため、走査ミラー９３に入射するレーザー光のビーム直径を縮小することができ、走査ミラー９３のサイズを小型化できる。そして、走査ミラー９３のサイズを小型化することで、走査部２に作用する慣性モーメントを減少できる。その結果、走査ミラー９３の走査周波数や、振れ角等を向上させ、高精細な画像を表示することが可能となる。
また、本実施形態では偏光ビームスプリッタ９１により、集光レンズ１と発散レンズ３との間の光路が折り返されているため、走査装置全体を小型化できるという効果もある。
【００４６】
走査ミラー９３に垂直入射させることを目的として、図１４に示す従来の構成において、走査部１３１の出射側に偏光ビームスプリッタを配置しても、偏光ビームスプリッタの後に集光レンズＧ１と発散レンズＧ２を配置する必要がある。このため、本発明の実施形態のような小型化の効果は得られない。
【００４７】
（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について説明する。
図１０Ａおよび図１０Ｂは第３実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。図１０Ａは、第３実施形態の走査装置の平面図である。図１０Ｂは、第３実施形態の走査装置の斜視図である。
図１０Ａに示すように、第３実施形態の走査装置２１０においては、水平走査部（第１の走査部）１０１と、垂直走査部（第２の走査部）１０２とが、偏光ビームスプリッタ９１を間に挟んで対向配置されている。水平走査部（第１の走査部）１０１は、回動軸１０３周りに回動可能に支持されてレーザー光を水平走査する。垂直走査部１０２は、回動軸１０４周りに回動可能に支持されてレーザー光を垂直走査する。本実施形態において、水平走査部１０１には、直径１０００μｍ程度の走査ミラー１０５を有する共振型マイクロメカニカル走査素子が用いられている。垂直走査部１０２には、サイズが１５００μｍ×６０００μｍのガルバノミラー１０６が用いられている。
垂直走査部１０２の出射側には、水平走査部１０１の光軸方向に直交するように発散レンズ３が配置されている。
【００４８】
本実施形態によれば、上述した第２実施形態と同様に、水平走査部１０１の走査ミラー１０５へレーザー光が垂直入射するため、走査ミラー１０５のサイズを小型化できる。
また、走査ミラー１０５のサイズの小型化に伴い、走査ミラー１０５に作用する慣性モーメントを減少でき、走査ミラー１０５の走査周波数、振れ角等が向上し、高精細な画像を表示することが可能となる。
また、本実施形態では偏光ビームスプリッタ９１により、集光レンズ１と発散レンズ３との間の光路が折り返されているため、走査装置全体を小型化できる。
【００４９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図１１は第４実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
図１１に示すように、第４実施形態の走査装置２２０は、偏光ビームスプリッタ９１と、集光レンズ１と、発散レンズ３と、水平走査部１０１と、垂直走査部１０２と、１／４波長板９２と、１／４波長板９３とを備えている。集光レンズ１と発散レンズ３とは、偏光ビームスプリッタ９１を間に挟んで対向配置される。水平走査部１０１及び垂直走査部１０２は、偏光ビームスプリッタ９１を間に挟んで集光レンズ１及び発散レンズ３の光軸に直交するように配置されている。１／４波長板９２は、水平走査部１０１と偏光ビームスプリッタ９１との間に配置されている。１／４波長板９３は、垂直走査部１０２と偏光ビームスプリッタ９１との間に配置されている。
【００５０】
レーザー光源５から出射するレーザー光は偏光ビームスプリッタ９１の偏光分離面９１ａに対してＳ偏光である。偏光分離面９１ａで反射されたレーザー光は１／４波長板９２を通過することで右回り円偏光になる。
その後、水平走査部１０１の走査ミラー１０５で反射したレーザー光は左回り円偏光になり、再び１／４波長板９２を通過する。すると、１／４波長板９２を通過したレーザー光は偏光ビームスプリッタ９１の偏光分離面９１ａに対してＰ偏光となり、偏光分離面９１ａを透過する。そして、偏光ビームスプリッタ９１を透過したレーザー光は１／４波長板９３を透過し、左回り円偏光になる。垂直走査部１０２の走査ミラー１０６で反射したレーザー光は右回り円偏光になり、再び１／４波長板９３を通過し、Ｓ偏光となる。
そして、Ｓ偏光となったレーザー光は偏光ビームスプリッタ９１で反射し、発散レンズ３に入射する。
【００５１】
本実施形態によれば、上述した第３実施形態と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態によれば、２つの走査部１０１，１０２同士が偏光ビームスプリッタ９１を間に挟んで対向配置しているため、装置実装が容易である。
【００５２】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１２Ａおよび図１２Ｂは第５実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
図１２Ａに示すように、本発明の第５実施形態の走査装置２３０は、集光レンズ１と水平走査部１０１との間に、ミラー１２１を配置した構成である。ミラー１２１は、ミラー１２１から反射して水平走査部１０１に入射するレーザー光の入射角γが４５°以下（本実施形態では、例えばγ＝３０°）になるように配置されている。図１２Ａにおいて、δ＝６０°、ε＝１５°である。
【００５３】
図１２Ｂに示すように、本実施形態のレーザー光源５は、偏光ビームスプリッタ（光合成部）１９１と、レーザー（第１の光源、第２の光源）１２２，１３３とを備えている。偏光ビームスプリッタ１９１は、偏光分離面１９１ａを有する。レーザー１２２，１３３は、偏光ビームスプリッタ１９１に向けてレーザー光を出射する。この場合、レーザー１２２は偏光分離面１９１ａに対してＰ偏光となり、レーザー１２３は偏光分離面１９１ａに対してＳ偏光となる。すなわち、本実施形態のレーザー光源５は、偏光方向が直交する２つのレーザー光が偏光ビームスプリッタ１９１で合成された後、集光レンズ３に入射する。
【００５４】
上述した第２〜第４実施形態では、水平走査部１０１の走査ミラー１０５をなるべく小さくするために、偏光ビームスプリッタ９１を用いて入射角０°で入射（垂直入射）する構成とした。この場合、レーザー出力の増加を図るために、偏光ビームスプリッタ９１に２つのレーザーを入射させ、これらレーザーのレーザー光を合成することが考えられる。しかしながら、この構成では、偏光ビームスプリッタ９１の偏光分離面９１ａにおいて、レーザーが分離してしまい、レーザー出力の増加は望めない。
これに対して、本実施形態によれば、集光レンズ１に入射する前段で２つのレーザー光を合成し、合成したレーザー光を分離せずにミラー１２１により反射させるため、レーザー出力を増加させた上で、投射面７２（図７Ａ〜７Ｃ参照）上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。
また、本実施形態では、水平走査部１０１にレーザー光を入射角４５°以下で入射させるので、ミラー１２１の大型化を防いだ上で、高精細かつ高輝度の画像表示を行うことができる。
さらに、本実施形態では、偏光方向の異なる２つのレーザー光が合成されているため、レーザー特有のスペックルノイズが小さく、観察者への違和感の小さい画像を提供できる。
【００５５】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば第１実施形態において、移動部４によって集光レンズ１と垂直走査部７１との距離を変化させる場合について説明したが、この構成に限られない。例えば、図１３に示すような周方向に沿って厚さが異なるように形成されたガラスからなる回転ホイール２１１（ｗ１：ガラス厚小、ｗ２：ガラス厚大）を用い、この回転ホイール２１１を回転軸Ｘ回りに、回転させることで、光路長を切り替えても構わない。ホモジニアス配向液晶等を用いて電気的に光路長を変える電気光学素子を用いてもよい。
上述した第２〜５実施形態の走査装置２００，２１０，２２０，２３０の動作は第１実施形態の走査装置１０と同様である。これら走査装置２００，２１０，２２０，２３０を用いて、第１実施形態と同様の投射型画像表示装置５０を構成してもよい。
【００５６】
この出願は、２００９年１２月１４日に出願された日本出願特願２００９−２８３２１９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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、走査装置、画像表示装置及びその制御方法に適用できる。これらの走査装置、画像表示装置及びその制御方法によれば、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。
【符号の説明】
【００５８】
１     集光レンズ（ビーム集光部）
２     走査部（第１の走査部）
３     発散レンズ（ビーム発散部）
４     移動部
５     レーザー光源（光源）
２１   信号処理装置（信号処理部）
７１，１０２  垂直走査部（第１の走査部）
７２   被投射面
９１   偏光ビームスプリッタ
９２   １／４波長板
１０１ 水平走査部（第２の走査部）
１２２ レーザー（第１の光源）
１２３ レーザー（第２の光源）
１９１ 偏光ビームスプリッタ（光合成部）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
2011074572.tif 000018
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2011074572.tif 000020
【図９Ｂ】
2011074572.tif 000021
【図１０Ａ】
2011074572.tif 000022
【図１０Ｂ】
2011074572.tif 000023
【図１１】
2011074572.tif 000024
【図１２Ａ】
2011074572.tif 000025
【図１２Ｂ】
2011074572.tif 000026
【図１３】
2011074572.tif 000027
【図１４】
2011074572.tif 000028
【図１５Ａ】
2011074572.tif 000029
【図１５Ｂ】
2011074572.tif 000030
【図１５Ｃ】
2011074572.tif 000031
【図１５Ｄ】
2011074572.tif 000032
【国際調査報告】
2011074572.tif 000033
2011074572.tif 000034
2011074572.tif 000035
2011074572.tif 000036