(57)【要約】【課題】観察者の安全を確保しつつ明るい画像を投射できる走査型画像投射装置を実現する。【解決手段】走査型画像投射装置３０１は、レーザ光源３０２〜３０４と、該光源からの光束を、被投射面において水平方向および垂直方向に互いに異なる周波数で走査する走査手段３０６とを有する。以下の条件を満足することを特徴とする。（Ｂ＋Ｃ）Ｘ／２０００≦Ａ≦７Ｌ／｜Ｌ−Ｘ｜ただし、Ａは被投射面側から見たときの射出瞳３１０の径であり、Ｌは射出瞳から該光束の結像位置までの距離であり、Ｘは射出瞳から該光束の出力測定位置までの距離であり、ＢおよびＣはそれぞれ、出力測定位置に配置された測定開口を通過する１８μｓｅｃ以下のパルス長さを有する走査パルスにおける垂直方向および水平方向の走査視角である。【選択図】図３
2011191633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源またはＬＥＤ光源と、
該光源からの光束を、被投射面において水平方向および垂直方向に互いに異なる周波数で走査する走査手段とを有し、
以下の条件を満足することを特徴とする走査型画像投射装置。
【数１３】
2011191633.tif 000015
ただし、Ａは前記被投射面側から見たときの射出瞳の径（ｍｍ）であり、Ｌは前記射出瞳から前記光束の結像位置までの距離（ｍｍ）であり、Ｘは前記射出瞳から該装置の出力測定位置までの距離（ｍｍ）であり、ＢおよびＣはそれぞれ前記出力測定位置に配置された測定開口を通過する１８μｓｅｃ以下のパルス長さを有する走査パルスにおける前記垂直方向および前記水平方向の走査視角（ｍｒａｄ）である。
【請求項２】
前記走査手段よりも前記被投射面側に、前記光束が入射するときの拡がり角よりも射出するときの拡がり角を大きくする光学系を有することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光やＬＥＤ光を走査して画像を投射する走査型画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光源やＬＥＤ光源を用いる走査型画像投射装置では、国際レーザ安全規格ＩＥＣ６０８２５や国ごとに定められた規格によって、光源の出力に制限が設けられている。具体的には、ＩＥＣ６０８２５では、光源の出力は、該光源からの光束が直接観察者の眼に入射しても嫌悪反応による瞬きによって安全が確保されるクラス２以下にすることが望ましいとされている。
【０００３】
ただし、光源の出力をクラス２以下に下げることによって、被投射面（スクリーン）に投射される画像が暗くなり、良好な画像観察を妨げる可能性がある。
【０００４】
このため、特許文献１には、観察者の瞳を考慮して、Ｒ光束，Ｇ光束およびＢ光束のスポットの位置を所定距離だけ離した走査型画像投射装置が開示されている。また、特許文献２には、観察者が光束の射出部を直視しても安全が確保されるように、装置内での光路長を長くした走査型画像投射装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１０６１６公報
【特許文献２】特開２００５−１１４９８５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１にて開示された装置では、各色光束のスポットの位置を離すために走査デバイスによる光束の走査範囲を大きくする必要がある。この結果、走査デバイスが大型化したり、光源からの光の利用効率（時間効率）が低下するために光源の出力を上げる必要が生じたりする。
【０００７】
また、特許文献２にて開示された装置では、装置内において光路が通過する領域に他の部品を配置することができないため、装置が大型化してしまう。
【０００８】
本発明は、走査デバイスや装置を大型化したり光源の出力を上げたりしなくても、観察者の安全を確保しつつ明るい画像を投射できるようにした走査型画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての走査型画像投射装置は、レーザ光源またはＬＥＤ光源と、該光源からの光束を、被投射面において水平方向および垂直方向に互いに異なる周波数で走査する走査手段とを有する。そして、以下の条件を満足することを特徴とする。
【００１０】
【数１】
2011191633.tif 000003
【００１１】
ただし、Ａは被投射面側から見たときの射出瞳の径（ｍｍ）であり、Ｌは射出瞳から該光束の結像位置までの距離（ｍｍ）であり、Ｘは射出瞳から該光束の出力測定位置までの距離（ｍｍ）であり、ＢおよびＣはそれぞれ、出力測定位置に配置された測定開口を通過する１８μｓｅｃ以下のパルス長さを有する走査パルスにおける垂直方向および水平方向の走査視角（ｍｒａｄ）である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被投射面側から見たときの射出瞳の径を特定の条件の範囲に収めることにより、光束が観察者の眼に直接入射した場合であっても観察者の安全を確保でき、かつ明るい画像を投射することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例である走査型画像投射装置における光束の走査を説明する図。
【図２】実施例における射出瞳径と許容値との関係を示す図。
【図３】実施例１の走査型画像投射装置の構成を示す図。
【図４】実施例２の走査型画像投射装置の構成を示す図。
【図５】実施例３の走査型画像投射装置の構成を示す図。
【図６】実施例３における走査デバイスを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
まず、後述する各実施例の走査型画像投射装置にて用いられる走査手段としての走査デバイスの構成を、図１（ａ）を用いて説明する。図１（ａ）は、走査デバイス１０１の主要部の構成と、被走査面（走査型画像投射装置に対する被投射面）１０９との関係を示している。
【００１５】
走査デバイス１０１の中央部には、可動ミラー１０２が形成されている。可動ミラー１０２は、該可動ミラー１０２をＸ方向である水平方向に（Ｙ軸回りで）揺動させるためのトーションバー１０３と、Ｙ方向である垂直方向に（Ｘ軸回りで）揺動させるためのトーションバー１０４とを含むジンバル構造によって保持されている。可動ミラー１０２は、水平方向において、電磁力や静電気力を使用する不図示のアクチュエータによって共振駆動される。これにより、可動ミラー１０２のミラー面の水平方向での偏向角が変化し、該ミラー面にて反射する光束が水平方向に走査される。また、可動ミラー１０２は、垂直方向において、水平方向の駆動と同期するように不図示のアクチュエータによって駆動される。これにより、可動ミラー１０２のミラー面の垂直方向での偏向角が変化し、該ミラー面にて反射する光束が垂直方向に走査される。
【００１６】
実線１０５は、可動ミラー１０２の揺動によって、水平方向の走査開始位置から走査終了位置まで走査される光束の軌跡である走査線を示している。走査線が実線１０６を辿って走査開始点に戻すよう可動ミラー１０２を水平方向に揺動させる際に、矢印１０７にて示す垂直方向に光束が走査されるように可動ミラー１０２を垂直方向に揺動させ、かつ光源を可動ミラー１０２の揺動に同期させて変調する。これにより、走査線によって２次元画像が形成される。
【００１７】
走査線は、垂直方向での走査終了位置１０８に達すると、最初の走査開始位置１０９まで帰線する。つまり、垂直方向の繰り返し周期が、表示画像のフレームレートを決定する。このように、走査デバイス１０１は２次元方向に光束を走査できるデバイスであり、被走査面上をラスタ走査できる。なお、ここでは、１つの走査デバイスによって２軸方向に光束を走査する場合について説明したが、それぞれ１軸方向に光束を走査する走査デバイスを２つ組み合われて光束を２軸方向に走査する走査デバイスユニットを用いてもよい。
【００１８】
前述したような走査デバイスを用いてレーザ光源からの光束を走査することで画像を投射する走査型画像投射装置が安全性に関して満たすべき条件が、国際レーザ安全規格ＩＥＣ６０８２５にて規定されている。該規格に従うと、繰り返しパルスレーザ照射時においては、走査レーザの出力測定を、出力測定位置に配置された、７ｍｍの直径を持つ測定開口を通して行う。そして、繰り返しパルスレーザが人体に照射される場合は、以下の３種類の基準を満たすレーザ出力値のうち最小の出力値をもって該装置のクラス分類を行う。
【００１９】
基準１）パルス列内のどの単一パルスの露光も、単一パルスに対するＭＰＥを超えてはならない。
【００２０】
基準２）露光持続時間Ｔのパルス列の平均露光は、露光持続時間Ｔの単一パルスに対して規定されたＭＰＥを超えてはならない。
【００２１】
基準３）パルス列内のパルスによる平均露光は補正率Ｃ５を乗じた単一パルスに対するＭＰＥを超えてはならない。
【００２２】
ＭＰＥの算出においては、パルス時間によって用いる計算式が異なり、ＩＥＣ６０８２５内の表６を参照して用いる。基準２）に示した露光持続時間においては、クラス２以下の許容値に収めるため、人の瞬きによる嫌悪反応時間である０．２５ｓである。可視域では測定開口を通過する時間ｔによって定数の値が異なるが、ＩＥＣ６０８２５の表６によると、ＭＰＥを算出する基本計算式は下記に記す２種類が考えられる。
【００２３】
ＭＰＥ  ＝（定数）×Ｃ６（Ｊ／ｍ２）・・・（１）
もしくは
ＭＰＥ  ＝（定数）×ｔ０．７５×Ｃ６（Ｊ／ｍ２）・・・（２）
ＭＰＥを装置から射出される光源出力の許容値Ｐ（Ｗ）に変換するには、ＭＰＥ×（測定開口面積）／ｔを算出するため、式（１）と式（２）を変換するとそれぞれ、式（３）と式（４）が得られる。
【００２４】
Ｐ  ＝（定数）×Ｃ６／ｔ（Ｗ）・・・（３）
もしくは
Ｐ  ＝（定数）×Ｃ６／ｔ０．２５（Ｗ）・・・（４）
本発明の実施例の画像投射装置では、装置から投射方向に離れるにつれて画像投射領域が拡がる。画像投射領域の一方の端から他方の端までの走査時間は、画像投射装置の後述する光学系により形成される射出瞳からの距離によらず同一であるため、直径７ｍｍの測定開口をレーザ光が通過する時間ｔは、装置から離れるにつれて短くなる。このため、式（３）および式（４）のどちらにおいても装置から離れるにつれて許容値が大きくなる。
【００２５】
基準１〜３のいずれにおいても、波長が４００〜７００ｎｍの可視域においては視角に応じた補正係数Ｃ６が用いられる。Ｃ６は網膜上に結像するスポット径の大きさ、すなわち網膜上でのレーザ光のエネルギー密度に応じて、基準に対して何倍緩和できるかを表している。このＣ６の値をできる限り大きくなるような装置の構成を採用することで、クラス分けに用いる許容値の値を大きくすることが可能となる。
【００２６】
また、Ｃ６は眼に入射するレーザ光の視角αが、規格で定められている最小視角αｍｉｎ（＝１．５ｍｒａｄ）に対して何倍大きいかを表している。なお、視角が１．５ｍｒａｄ以下になる場合は１．５ｍｒａｄとして扱い、１００ｍｒａｄ以上になる場合は１００ｍｒａｄで規定される範囲のみを取り扱って値を算出することと定められている。
【００２７】
計算に用いるＣ６の値としては、使用者が光束を走査する走査ポイントである射出瞳にピントを合わせた状態の視角αｐと、無限遠を観察している状態において眼に走査された光束が入射する場合の視角αｆとの２種類が考えられる。
【００２８】
装置の出力測定を射出瞳からＸ（ｍｍ）の距離だけ離れた出力測定位置で行い、観察者が被投射面側（被走査面側）から射出瞳を見て該射出瞳にピントを合わせたときの射出瞳の径をＡ（ｍｍ）とすると、視角αｐ（ｍｒａｄ）は、
【００２９】
【数２】
2011191633.tif 000004
【００３０】
となる。そして、Ｃ６ｐは、
【００３１】
【数３】
2011191633.tif 000005
【００３２】
により算出される。
【００３３】
同様に、観察者が無限遠を観察している場合は、前述した直径７ｍｍの測定開口で制限される走査パルスが網膜上に結像する。本発明の実施例では、垂直方向の走査周波数よりも水平方向の走査周波数が速く（垂直方向と水平方向とで走査周波数が異なり）、水平方向に伸びたライン状の光束が網膜上に結像する。このため、視角αｆは、垂直方向の走査視角がＢ（ｍｒａｄ）、水平方向の走査視角がＣ（ｍｒａｄ）の光束であるとして考える。図１（ｂ）に示すように、Ｂ，Ｃはそれぞれ、測定開口を通過する１８μｓ以下のパルス長さを有する走査パルスにおける垂直方向および水平方向の走査視角（ｍｒａｄ）である。
【００３４】
なお、円形でない光源の場合は、長手側と短手側の視角の算術平均として算出するため、視角αｆ（ｍｒａｄ）は、
【００３５】
【数４】
2011191633.tif 000006
【００３６】
となる。そして、Ｃ６ｆは、
【００３７】
【数５】
2011191633.tif 000007
【００３８】
となる。
ここで、垂直方向の走査視角Ｂ（ｍｒａｄ）について説明する。前述した規格の中で単一パルスと見なす基準時間は１８μｓと規定されている。基準時間内において測定開口にパルスが１つしか入らないような場合は、水平方向に伸びたパルスにおいて、垂直方向には走査されていないと考える。また、パルス間隔が短い場合や光源を複数設けた場合は、基準内に複数本のパルスが入ることが考えられる。このような状態においては、必要に応じて垂直方向にも走査されていると考えて走査視角Ｂ（ｍｒａｄ）を用いる。
【００３９】
次に、水平方向の走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）について説明する。走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）については、直径７ｍｍの測定開口で制限されるラインによる走査視角となるため、出力測定位置での走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）は、
【００４０】
【数６】
2011191633.tif 000008
【００４１】
となる。しかし、前記規格において、レーザ光が測定開口を通過する時間Ｔ（ｓ）が１８μｓ以上の場合は、１８μｓでのパルス長さまでを緩和対象にすると規定されているため、
【００４２】
【数７】
2011191633.tif 000009
【００４３】
となる。また、規格で決められている測定開口に入射する光束のエネルギーとしては、エネルギーのピーク値の５０％の光束が入射した範囲で考えることとなっている。このため出力測定位置での光束の径が直径７ｍｍの測定開口よりも大きい場合は、該測定開口で制限されるラインではなく、測定開口の直径より長いラインが網膜上に結像することとなる。このことから、装置の構成に応じた走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）を用いる。
【００４４】
式（５）および式（６）から算出される値のうち小さい方の値を用いて、測定開口の通過時間によって式（３）または式（４）から許容値を求める。そして、走査デバイスの可動ミラー１０２の揺動角（振れ角）と揺動周波数とが一定、すなわち走査速度が一定である光束が測定開口を通過する場合における許容値Ｐと射出瞳径Ａとの関係を示すと図２のようになる。図２において、横軸は射出瞳径Ａを、縦軸は許容値Ｐを示している。
【００４５】
図２から分かるように、許容値Ｐと射出瞳径Ａとの関係は、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３の３つの領域で互いに異なる特徴を有する。
【００４６】
領域Ｒ１では、補正係数Ｃ６がＣ６ｐ＜Ｃ６ｆとなり、射出瞳径Ａが大きくなるにつれて許容値Ｐが大きくなる。領域Ｒ２および領域Ｒ３では、Ｃ６ｐ≧Ｃ６ｆとなる。
【００４７】
また、領域Ｒ３では、出力測定位置での光束径が直径７ｍｍの測定開口を超える。ここでは、Ｃ６ｆの値は大きくなるが、通過時間ｔが大きくなるため、結果として許容値Ｐの値は小さくなる。
【００４８】
そして、射出瞳径Ａを領域Ｒ２で設定することで、許容値Ｐを最大とすることが可能となる。領域Ｒ２は、Ｃ６ｐ≧Ｃ６ｆとなることで、出力測定位置での光束径Ｓｓが７ｍｍ以下となる領域である。Ｃ６ｐ≧Ｃ６ｆとなる条件は、前述した式（５）および式（６）より、
【００４９】
【数８】
2011191633.tif 000010
【００５０】
となる。
さらに、射出瞳の位置から光束の結像位置まで距離をＬ（ｍｍ）とすると、射出瞳の位置からＸ（ｍｍ）だけ離れた位置（出力測定位置）における光束径Ｓｓは、
【００５１】
【数９】
2011191633.tif 000011
【００５２】
となる。領域Ｒ２は、射出瞳の位置からＸ（ｍｍ）の位置における光束径Ｓｓが７ｍｍ以下となる範囲であるので、
【００５３】
【数１０】
2011191633.tif 000012
【００５４】
となる。
以上より、領域Ｒ２における射出瞳径Ａの範囲は、以下の式（７）によって表される。
【００５５】
【数１１】
2011191633.tif 000013
【００５６】
以上説明したように、射出瞳径Ａを領域Ｒ２で設定する、すなわち式（７）の条件を満足するように設定することにより、その装置の構成において相対的な許容値Ｐを最大とすることが可能となる。
【００５７】
ＩＥＣ６０８２５においては、人がピントを合わせられるのは１００ｍｍ以上であると規定されている。そのため、走査レーザの出力測定においても装置の走査ポイントから１００ｍｍ以上離れた位置で、最も出力測定値が大きくなる位置での該出力測定値を用いてクラス分けを行うこととしている。前述したように、本発明の実施例の装置においては出力測定位置が射出瞳に近いほど出力測定値が大きくなるため、出力測定位置までの距離Ｘは１００ｍｍとなる。これにより、式（７）を以下の式（８）ように書き替えることができる。
【００５８】
【数１２】
2011191633.tif 000014
【００５９】
式（８）において、Ｌが１００ｍｍである場合は、右辺の分母が０となるが、１００ｍｍの位置で７ｍｍのスポット径（光束径）を形成する画像投射装置は現実的でないため、Ｌが１００ｍｍの場合は、右辺は無限大として扱えばよい。
なお、上記説明では、現在の規格に応じて出力測定位置までの距離を１００ｍｍ以上としたが、今後規格が改訂されれば、改訂内容に応じて出力測定位置までの距離を変更してもよい。
【００６０】
以下、射出瞳径を領域Ｒ２にて設定する具体的な光学レイアウトを実施例１〜３として説明する。
【実施例１】
【００６１】
図３には、本発明の実施例１である走査型画像投射装置３０１の光学系の構成を示している。該装置３０１は、レーザ光源である赤色レーザ３０２、青色レーザ３０３および緑色レーザ３０４を備えている。各色レーザは、外部装置（パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等）からの入力画像信号に応じて、不図示の駆動回路により変調されて発光する。各色レーザから射出したレーザ光束は、不図示のコリメータレンズによって１．５ｍｍ径の平行光束に変換される。
【００６２】
コリメートされた各色レーザ光束は、ダイクロイックミラー３０５によって色合成され、走査デバイス３０６に入射する。走査デバイス３０６に入射した光束は、前述した可動ミラーによって、水平方向に０．７ｒａｄ、垂直方向に０．５２ｒａｄの揺動角で、また水平方向に１８ｋＨｚ以上（ここでは２０ｋＨｚとする）、垂直方向に６０Ｈｚの周波数で２次元走査される。本実施例における走査デバイス３０６の可動ミラーの直径は１．５ｍｍである。
【００６３】
本実施例では、レーザ光束は水平方向と垂直方向の周波数から、垂直方向に６００本のラインを走査することが可能である。水平方向の画素数については可動ミラー上での光束径と水平方向の揺動角を乗じた値を、トランケーション係数と使用波長を乗じた値で除算することによって算出できる。トランケーション係数を１．６４とし、波長は各色の中で最も長い赤色レーザ３０２の波長である６４０ｎｍを用いて算出すると、水平方向の画素数は約１０００画素となる。したがって、本実施例の装置は、８００×６００画素（ＳＶＧＡ）の解像度で画像を投射することが可能である。
【００６４】
走査デバイス３０６により走査されたレーザ光束は、第１の投射レンズ３０７によって、拡散板３０８上に結像される。本実施例では、走査デバイス３０６から１５ｍｍの位置に、焦点距離が１５ｍｍの第１の投射レンズ３０７を配置し、第１の投射レンズ３０７からさらに１５ｍｍ離れた位置に拡散板３０８を配置している。これにより、走査デバイス３０６で走査された１．５ｍｍ径のレーザ光束は、拡散板３０８上に９μｍのスポットを形成する。拡散板３０８は、入射光束の拡がり角に対して射出光束の拡がり角を４倍に変換する特性を有する光学系を構成する。
【００６５】
また、本実施例では、拡散板から１５．７ｍｍ離れた位置に、焦点距離が１５ｍｍの第２の投射レンズ３０９を配置している。拡散板３０８で拡げられたレーザ光束は、第２の投射レンズ３０９によって直径６ｍｍの射出瞳３１０を形成する。
【００６６】
拡散板３０８と第２の投射レンズ３０９によって射出瞳３１０が形成されるが、レーザ光束の走査角度は、走査デバイス３０６の水平方向に０．７ｒａｄ、垂直方向に０．５２ｒａｄという揺動角に対応する角度を保っている。したがって、レーザ光束の走査速度は変化していない。その後、レーザ光束は、射出窓３１１を通過して装置３０１から射出し、射出瞳３１０から４００ｍｍの位置に置かれた被投射面であるスクリーン３１２に結像し、約１４インチのＳＶＧＡ画像を投射する。
【００６７】
本実施例の構成において、観察者が射出窓３１１から射出したレーザ光束を直接観察した場合、該光束が一点に止まって観察できる走査ポイントは走査デバイス３０６の可動ミラー上ではなく、走査デバイス３０６と共役な位置関係にある射出瞳３１０となる。したがって、観察者が観察できる射出瞳３１０の径６ｍｍが前述した射出瞳径Ａとなり、射出瞳３１０からスクリーン３１２までの距離４００ｍｍがＬとなる。また、本実施例における装置３１０の出力測定値が最大となる出力測定位置は、射出瞳３１０から１００ｍｍだけスクリーン側に離れた位置となる。
【００６８】
次に、射出瞳３１０にピントを合わせるのではなく、遠視眼の人のように拡散板３０８にピントを合わせられる人が観察者である場合について説明する。拡散板３０８にピント合わせた場合、拡散板３０８上で９μｍの径のスポットを形成する光束は、観察者の網膜上では２５μｍ以下の径のスポットとして結像する。拡散板３０８上では、走査された光束が結像しており、水平方向にはライン状のスポットを形成している。
【００６９】
このため、拡散板３０８上のスポットにピントを合わせることは、前述した無限遠を観察している場合に眼に走査された光束が入射している同じ状態となる。したがって、この状態を前述した無限遠を観察した場合として考えると、前記規格では、光束が網膜上に２５μｍ以下の径のスポットとして結像する場合は、視角は最小値である１．５ｍｒａｄを用いることに定められている。
【００７０】
また、垂直周波数と水平周波数の関係から、測定開口内で走査された光束が形成する走査パルスが現れる間隔は２５μｓであり、１８μｓの間には走査パルスは１つしか現れない。
【００７１】
このため、垂直方向に走査されているとは考えることができないため、本実施例の走査視角Ｂ（ｍｒａｄ）の値は１．５ｍｒａｄを用いることとなる。
【００７２】
次に、走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）について説明する。本実施例での出力測定位置において、測定開口を光束が通過する時間は２．４μｓであり、１８μｓ以下であるので、７ｍｍの径の測定開口で制限されるパルス全てを考慮する。このため、本実施例では、走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）は７０ｍｒａｄを用いる。
上記Ｂ、Ｃ、Ｌの値を、式（７）に代入すると、射出瞳径Ａは、
３．５７５≦Ａ≦９．３３
となる。
【００７３】
したがって、前述した本実施例における射出瞳３１０の径６ｍｍは、式（７）の条件を満足する。
【００７４】
本実施例のように、射出瞳３１０を光学系にて拡大しない場合においては、走査デバイス３０６が走査ポイントとなる。この場合、走査デバイス３０６に光束が入射する前にコリメータレンズを必要とするが、走査デバイス３０６上での光束径を１．５ｍｍとし、距離Ｌが４００ｍｍで変わらない構成とした場合は、射出瞳径が式（７）から外れた範囲である領域Ｒ１の値となる。この構成では、本実施例でのレーザ光源の出力に対して０．４２倍の装置出力しか出せなくなる。そのため、規格のクラス２に収めるためには、投射画像が暗くなってしまう。
【００７５】
また、本実施例では、射出瞳径を６ｍｍに設定したが、これを１０ｍｍまで拡大すると、領域Ｒ３の射出瞳径となる。この場合、本実施例でのレーザ光源の出力に対して０．９８倍の装置出力しか出せなくなり、やはり規格のクラス２に収めるためには、投射画像が暗くなってしまう。
【００７６】
以上説明したように、本実施例によれば、走査される光束の速度が一定である条件において、前述した光学レイアウトを採用することで、光束が観察者の眼に直接入射した場合であっても観察者の安全を確保でき、かつ投射画像の明るさを向上させることができる。
なお、本実施例では、入射する光束の拡がり角よりも射出する光束の拡がり角を大きくする光学系として拡散板を用いたが、他の同様の機能を有する光学系、例えばマイクロレンズアレイのような回折格子を用いてもよい。回折格子を用いる場合は、複数発生した回折光のうち、ピーク値の最も高い回折光の１０％以上の光量を持つ回折光までを考慮し、最も外側の回折光のマージナル光線から形成される瞳径を射出瞳径とする。
【実施例２】
【００７７】
図４には、本発明の実施例２である走査型画像投射装置４０１の光学系の構成を示している。該装置４０１は、レーザ光源である赤色レーザ４０２、青色レーザ４０３および緑色レーザ４０４を備えている。各色のレーザは、外部装置からの入力画像信号に応じて、不図示の駆動回路にて変調されて発光する。各色レーザから射出したレーザ光束は、不図示のコリメータレンズによって１．５ｍｍ径の平行光束に変換される。コリメートされた各色のレーザ光束は、ダイクロイックミラー４０５によって色合成された後、拡大光学系４０６によって、その径が４．４ｍｍに拡大された平行光束とされ、焦点距離が３３０ｍｍのコリメータレンズ４０７によって収束光束に変換される。
【００７８】
該収束光束は、コリメータレンズ４０７から３０ｍｍ離れた位置にある走査デバイス４０８に入射する。走査デバイス４０８に入射した光束は、前述した可動ミラーによって、水平方向に０．７ｒａｄ、垂直方向に０．５２ｒａｄの揺動角で、また水平方向に１８ｋＨｚ以上（ここでは２０ｋＨzとする）、垂直方向に６０Ｈｚの周波数で２次元走査される。
【００７９】
コリメータレンズ４０７を通った光束は、走査デバイス４０８の位置では光束径が４ｍｍとなっている。本実施例の走査デバイス４０８における可動ミラーの直径は４ｍｍである。
【００８０】
本実施例では、レーザ光束は水平方向と垂直方向の周波数から、垂直方向に６００本のラインを走査することが可能である。
【００８１】
トランケーション係数を１．６４とし、波長を赤色レーザ３０２の波長である６４０ｎｍとして算出すると、水平方向の画素数を約２７００画素まで設定できる。したがって、本実施例の装置は、８００×６００画素（ＳＶＧＡ）の解像度で画像を投射することが可能である。
【００８２】
走査デバイス４０８により走査されたレーザ光束は、拡散板や投射レンズ等の光学系を介さずに射出窓４０９を通過して、コリメータレンズ４０７の焦点距離の位置である、走査デバイス４０８から３００ｍｍの位置のスクリーン４１０上に結像する。これにより、約１１インチのＳＶＧＡ画像を投射する。
【００８３】
本実施例において、観察者が射出窓４０９から射出される光束を直接観察した場合、光束が一点に止まって観察できる走査デバイス４０８が走査ポイントである。このため、本実施例においては走査デバイス４０８上での光束径である４ｍｍが射出瞳径Ａとなり、走査デバイス４０８からスクリーン４１０までの距離３００ｍｍがＬとなる。また、本実施例における装置４０１の出力が最大となる出力測定位置は、走査デバイス４０８から１００ｍｍだけスクリーン側に離れた位置となる。
【００８４】
次に、射出瞳の位置にピントを合わせるのではなく、無限遠を観察している場合において、視角αｆを求める式で用いる垂直方向の走査視角Ｂ（ｍｒａｄ）について説明する。無限遠を観察している場合、垂直方向のみについて考えると、網膜上には２５μｍ以下のスポット径で光束が結像すると考えられる。２５μｍ以下の径のスポットを形成する場合は、前記規格では、視角として最小値である１．５ｍｒａｄを用いることと定められている。また、垂直周波数と水平周波数の関係から、測定開口内で走査された光束が形成する走査パルスが現れる間隔は２５μｓであり、１８μｓの間には走査パルスは１つしか現れない。このため、垂直方向に走査されているとは考えることができないため、本実施例の走査視角Ｂ（ｍｒａｄ）の値は１．５ｍｒａｄを用いることとなる。
【００８５】
次に、走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）について説明する。本実施例での出力測定位置において、測定開口を光束が通過する時間は２．４μｓとなり、１８μｓ以下であるので測定開口７ｍｍで制限されるパルス全てを考慮する。このため、本実施例では、走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）として７０ｍｒａｄを用いる。
【００８６】
本実施例でのＢ、Ｌの値を、式（７）に代入すると、
３．５７５≦Ａ≦１０．５
となる。
【００８７】
したがって、本実施例における射出瞳の径４ｍｍは、式（７）の条件を満足する。実施例１で示したように、式（７）から外れた範囲に射出瞳の径を設定すると、上記規格のクラス２に収めるためには投射画像が暗くなってしまう。
本実施例でも、上述した光学レイアウトを採用することで、光束が観察者の眼に直接入射した場合であっても観察者の安全を確保でき、かつ投射画像の明るさを向上させることができる。
【実施例３】
【００８８】
図５には、本発明の実施例３である走査型画像投射装置５０１の光学系の構成を示している。該装置５０１は、レーザ光源である赤色４０２、青色レーザ４０３および緑色レーザ４０４を備えている。各色レーザは、外部装置からの入力画像信号に応じて、不図示の駆動回路にて変調されて発光する。各色レーザから射出したレーザ光束は、実施例２と同様に、不図示のコリメータレンズによって１．５ｍｍ径の平行光束に変換され、ダイクロイックミラー４０５によって色合成される。その後、拡大光学系４０６によって、その径が４．４ｍｍに拡大された平行光束とされ、焦点距離が３３０ｍｍのコリメータレンズ４０７によって収束光束に変換される。
【００８９】
該収束光束は、図６にも示すように、コリメータレンズ４０７から３０ｍｍ離れた位置にある走査デバイス５０２に入射する。走査デバイス５０２に入射したレーザ光束は、前述した可動ミラーによって、水平方向に０．７ｒａｄの揺動角で、１８ｋＨｚ以上（ここでは２０ｋＨｚとする）の周波数で走査される。コリメータレンズ４０７を通ったレーザ光束は、走査デバイス５０２の位置では光束径が４ｍｍとなっている。本実施例の走査デバイス５０２における可動ミラーの直径は４ｍｍである。
【００９０】
走査デバイス５０２で反射されたレーザ光束は、走査デバイス５０３に入射する。走査デバイス５０３に入射する光束は走査デバイス５０２によって水平方向に走査されているため、走査デバイス５０３の可動ミラーは水平方向に長い形状を有する。走査デバイス５０３に入射した光束は、可動ミラーによって、垂直方向に０．５２ｒａｄの揺動角で、６０Ｈｚの周波数で走査される。走査デバイス５０２，５０３により水平方向および垂直方向に２次元走査された光束によって、スクリーン４１０に２次元画像が投射される。
【００９１】
本実施例において、観察者が射出窓４０９から射出される光束を直接観察した場合、光束が一点に止まって観察できる走査デバイス５０２が走査ポイントである。このため、本実施例においては走査デバイス５０２上の光束径である４ｍｍが射出瞳径Ａとなり、走査デバイス５０２からスクリーン４１０までの距離３００ｍｍがＬとなる。
次に、射出瞳の位置にピントを合わせるのではなく、無限遠を観察している場合において、視角αｆを求める式で用いる垂直方向の走査視角Ｂ（ｍｒａｄ）について説明する。無限遠を観察している場合、垂直方向のみについて考えると、網膜上には２５μｍ以下のスポット径で光束が結像すると考えられる。２５μｍ以下の径のスポットを形成する場合は、前記規格では、視角として最小値である１．５ｍｒａｄを用いることが定められている。
【００９２】
また、垂直周波数と水平周波数の関係から、測定開口内で走査された光束が形成する走査パルスが現れる間隔は２５μｓであり、１８μｓの間には走査パルスは１つしか現れない。このため、垂直方向に走査されているとは考えられないため、本実施例の走査視角Ｂ（ｍｒａｄ）の値は１．５ｍｒａｄを用いることとなる。
【００９３】
次に、走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）について説明する。本実施例での出力測定位置において、測定開口を光束が通過する時間は２．４μｓとなり、１８μｓ以下であるので測定開口７ｍｍで制限されるパルス全てを考慮する。このため、本実施例では走査視角Ｃ（ｍｒａｄ）として７０ｍｒａｄを用いる。
【００９４】
本実施例でのＢ、Ｌの値を、式（７）に代入すると、
３．５７５≦Ａ≦１０．５
となる。
【００９５】
したがって、本実施例における射出瞳の径４ｍｍは、式（７）の条件を満足する。実施例１で示したように、式（７）から外れた範囲に射出瞳の径を設定すると、上記規格のクラス２に収めるためには投射画像が暗くなってしまう。
【００９６】
本実施例でも、上述した光学レイアウトを採用することで、光束が観察者の眼に直接入射した場合であっても観察者の安全を確保でき、かつ投射画像の明るさを向上させることができる。
【００９７】
なお、上記各実施例では、光源としてレーザ光源を用いた場合について説明したが、ＩＥＣ６０８２５−１Ｅｄｉｔｉｏｎ１．２の規格では、ＬＥＤ光源もレーザ光源と同様に扱うこととされているため、ＬＥＤ光源を用いてもよい。
【００９８】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
観察者の安全を確保でき、かつ明るい画像を投射できる走査型の画像投射装置を提供できる。
【符号の説明】
【０１００】
１０１，３０６，４０８，５０２，５０３  走査デバイス
１１０  被投射面（被走査面）
３０１，４０１，５０１  走査型画像投射装置
３０２，４０２，３０３，４０３，３０４，４０４  レーザ光源
３０８  拡散板
３１０  射出瞳
３１２，４１０  スクリーン
４０６  拡大光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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