(57)【要約】投射システム（９００）は、スキャナー（８０２）及び光源（８０１）を含む。スキャナー（８０２）は、画像（９９５）を形成するために走査錐体（９９４）を作成するように構成されている。主ビーム（９９２）は、走査錐体（９９４）の進行方向を定める。非共軸の自由形状の主面を有する光学装置（８８０）は、投射システム（９００）の出力で配置されており、走査錐体（９９４）が光学装置（８８０）を通過する。光学装置（８８０）は、主ビーム（９９２）すなわち走査錐体（９９４）の進行方向を所定量でリダイレクトし、且つ、画像に当初存在するアナモフィック収差及び垂直スマイル収差の両方を補正するように構成されている。【選択図】図８
2014513326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射システムであって、
実質的に無限深度の焦点を有する画像を作成すべく走査錐体に１又は複数のビームを走査するように構成されたプロジェクタと、
２つの独立した横軸変数の関数である多項式によってそれぞれ定義される主面を有する光学装置と、を備えることを特徴とする投射システム。
【請求項２】
前記主面は、光学装置の少なくとも１つの寸法に亘って減少した厚みを有する光学材料によって分離されていることを特徴とする請求項１に記載の投射システム。
【請求項３】
前記主面は、互いに非共軸である凸面及び凹面を備えることを特徴とする請求項１に記載の投射システム。
【請求項４】
前記光学装置は実質的にゼロ出力であることを特徴とする請求項１に記載の投射システム。
【請求項５】
前記主面の各々は非回転対称であることを特徴とする請求項１に記載の投射システム。
【請求項６】
前記主面の各々は非放射対称であることを特徴とする請求項１に記載の投射システム。
【請求項７】
前記光学装置は、前記走査錐体の主光線の方向を変更するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の投射システム。
【請求項８】
前記光学装置は、垂直スマイル収差及びアナモフィック収差の両方を軽減するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の投射システム。
【請求項９】
投射システムであって、
第１主面及び第２主面を備える光学装置であって、前記第１主面及び前記第２主面が非共軸であり、非放射対称であり、且つ、該光学装置に亘って変化する光学装置厚によって分離されている、光学装置と、
画像を形成すべく、前記光学装置を通して走査錐体に１又は複数のビームを走査するように構成された走査プロジェクタと、を備えることを特徴とする投射システム。
【請求項１０】
前記第１主面及び前記第２主面の外形は、前記光学装置厚によって導入される非点収差歪みを軽減するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の投射システム。
【請求項１１】
前記第１主面及び前記第２主面の各々は、２つの独立した横軸座標変数の関数である多項式の表面を有することを特徴とする請求項９に記載の投射システム。
【請求項１２】
走査レーザー投射システムであって、
画像を形成するために走査錐体を作り出すように構成されたレーザー走査エンジンであって、前記走査錐体の進行方向が主ビームで定められる、レーザー走査エンジンと、
自由形状面を有する光学素子であって、前記走査錐体が該光学素子を通過するように配置された、光学素子と、を備え、
前記光学素子は、
所定量で前記主ビームをリダイレクトし、且つ、
前記光学素子の前記変化する厚みによって、導入された非点収差歪みを前記走査錐体に亘って角度ごとに補正するように構成されていることを特徴とする走査レーザー投射システム。
【請求項１３】
前記光学素子は、前記走査錐体の無限深度の焦点を実質的に維持するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の走査レーザー投射システム。
【請求項１４】
前記光学素子は、前記主ビームに対して実質的に対称に、前記変化する厚みの前記光学素子から前記走査錐体を放出させるようにさらに構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の走査レーザー投射システム。
【請求項１５】
前記光学素子は、前記走査錐体に関連する視野を維持するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の走査レーザー投射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
走査レーザー投射装置（ｓｃａｎｎｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）は鮮やかな色彩で作成された鮮明な画像を容易に作り出す。Ｍｉｃｒｏｖｉｓｉｏｎ，Ｉｎｃ．が製造する製品のように、走査システムは、大きい焦点深度を有する明るくシャープな画像を作り出すことができる。焦点深度は、屡々数十メートルにも及び、単独ピクセル又は画素の領域と比較したときに無限深度に近づくような広範囲の距離にプロジェクタ（投射器）の焦点を合わせることが可能であるので、「無限遠フォーカス（ｉｎｆｉｎｉｔｅ  ｆｏｃｕｓ）」と呼ばれる。この走査レーザー投射システムは手頃な費用にてコンパクトな形状因子（フォームファクター）で設計可能である。このシステムは、少ない電力しか消費しないにも関わらず、鮮やかで複雑な画像を提供する。
【背景技術】
【０００２】
このシステムにかかる課題の１つは、サイズの小型化である。携帯型プレゼンテーション機器のようなコンパクトな用途に投射システムを使用可能であるように、システムを小型化することが求められている。しかし、光学部品を小型化すると、問題が発生する虞がある。画像の歪み（収差）が生じ、同様に光学アーチファクト（ａｒｔｉｆａｃｔ）も問題となる。
【発明の概要】
【０００３】
投射画像を歪めることのないコンパクトな投射システムは有利と言えよう。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１はユーザに対して情報を提示するよう構成された無限遠フォーカス投射システムの一実施形態を表している。
【０００５】
【図２】図２は本発明の実施形態に従った走査エンジンの一実施形態を表している。
【０００６】
【図３】図３は垂直ビームを放出するように構成された走査レーザー投射システムを表している。
【０００７】
【図４】図４は本発明の１以上の実施形態に従った、水平ビームを放出するように構成された走査レーザー投射システムを表しており、走査レーザー投射システムの形状因子を小型化するために使用される。
【０００８】
【図５】図５は水平方向にフィードされた走査投射システムによる垂直方向のスマイル収差を表している。
【０００９】
【図６】図６は水平方向にフィードされた走査投射システムによるアナモフィック収差を表している。
【００１０】
【図７】図７は、本発明の１以上の実施形態に従った水平方向にフィードされた走査投射システムにおいて垂直方向のスマイル収差及びアナモフィック収差を軽減する又は除去するように構成された光学装置の一実施形態を表している。
【００１１】
【図８】図８は、歪みを補正する本発明の１以上の実施形態に従って構成された光学装置を採用したコンパクトで水平方向にフィードされる１つの走査レーザー投射システムを表している。
【００１２】
【図９−１１】図９から１１は、歪みを補正する本発明の１以上の実施形態に従って構成される光学装置を表している。
【００１３】
当業者にとって、図面の要素が簡易且つ明確に描かれ、必ずしも寸法どおりに描かれていないことは明らかであろう。例えば、図面のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態をより理解できるように、他の要素と比較して誇張して描かれている。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に従った実施形態を詳述する前に、実施形態は、光学リダイレクト（光転換）装置、関連する画像システム及びそれらの応用に関連する方法の工程及び装置の構成要素の組み合わせに主に存在していることを注視すべきである。よって、装置の構成要素と方法の工程は図中に標準的な符号で表示されており、本明細書における説明の利益を受ける当業者にとって明白な詳細をはっきりと開示するように、本発明の実施形態を理解するに適切な特定の詳細のみを表示するものとする。
【００１５】
ここに記載された本発明の実施形態が、以下に記載される特定の非プロセッサ回路（ｎｏｎ−ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  ｃｉｒｃｕｉｔ）、システム及びアプリケーションのいくらかの機能、ほとんどの機能、またはすべての機能と連動する１つ以上の処理装置と１以上のプロセッサとを制御して実行させる独自の保存されたプログラムの命令を含んでもよいことが認められる。非プロセッサ回路は、限定されないが、マイクロプロセッサ、走査ミラー、画像空間変調装置、メモリー装置、クロック回路、電源回路などを含んでもよい。このように、ここに示される機能や動作状態は、方法の中の工程として解釈可能である。あるいは、空間光変調器、ビームトランスレータ及び光変換素子を含む、様々な要素を制御するための１以上のプロセッサによって採用されるいくつかの又は全ての機能は、保存プログラムの命令を有していない状態機械によって実施されることがあり、あるいは１以上の応用特定集積回路において実施可能であり、それぞれの機能あるいは特定の機能のいくつかの組み合わせはカスタム論理として実施される。当然、２つのアプローチの組み合わせを使用可能である。例えば、利用可能時間、最新技術、そして経済的配慮などによって動機付けられる多大な努力と数多くの設計の選択肢にもかかわらず、本明細書で開示される概念及び原則によって導かれた場合、当業者はこのようなプログラムを容易に作成できることが予想される。
【００１６】
本発明の実施形態をここに詳細に記述する。図面に関して、数字は部品（部分）を示している。明細書及び請求項全体で使用されているように、以下の用語は文章中で明確に定められていなければ、ここではっきりと関連付けられている意味を示す。「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」の意味には複数形が含まれる。「ｉｎ」の意味には「ｉｎ」と「ｏｎ」が含まれる。第1及び第２、頂部及び底部などの関係語は、１つの本質あるいは動作と別の本質あるいは動作とを、実際の関係性あるいはそのような本質と動作との間の順序を必ずしも要求せず、または暗示することなく区別するために、単独で使用されることがある。また、丸括弧で囲まれた参照指示は、議論されている図面以外の図中に示された要素を示している。例えば、図Ａに関して議論している最中に装置（１０）について語る場合、図Ａ以外の図面に示された要素１０を意味する。
【００１７】
図１は、無限遠フォーカスを有する投射システム１００の一実施形態を表している。ここに使用されているとおり、「無限遠フォーカス」は一般的に１０ｍを越える距離で画像の焦点を合わせることができる投射システムを示す。例えば、投射システム１００は、Ｍｉｃｒｏｖｉｓｉｏｎ，Ｉｎｃ．が製造するＰｉｃｏＰ（商標）レーザー式システムのような微小電気機械技術システム（ＭＥＭＳ）を備える場合、投射システム１００はミラーでレーザー源からの光を走査する。このようなシステムは広範囲の距離に亘ってフォーカスを維持することが容易にできることが示されてきた。この距離は１０ｍにも及ぶ。このようなシステムは、それらがフォーカス可能な距離がピクセルあるいは画素よりも又は画像そのものよりもはるかに大きいことから、「無限遠フォーカス」システムと呼ばれている。従って、投射システム１００は、通常、投射面１０４上の少なくとも１つの画像１０８の焦点を合わせるために、自動であれ手動であれ、焦点調節のための手段を必要としない。投射システム１００と投射面１０４との間の距離とは無関係の投射面１０４に投射されるときに画像１０８の焦点が本質的に合わさる。さらに、一実施形態における投射システム１００は、様々な投射面のいずれの上にも素早く又は同時に投射されるように、形状及び強度を変更できる。
【００１８】
図１に示されるとおり、投射システム１００はレーザー投射源１０１、スキャナー１０２、制御回路１０３及び投射面１０４を含む。レーザー投射源１０１は簡易な単色レーザーであってもよいが、代替的に複数レーザー又は集積多色レーザー装置を含んでもよい。一実施形態では、レーザー投射源１０１は赤色レーザー、青色レーザー及び緑色レーザーを含む。これらレーザーは多様な種類でありうる。例えば、コンパクトなデザインのために半導体式レーザーを使用可能であり、これは端面発光レーザー又は垂直共振器面発光レーザーを含む。その他の応用では、より大型で強力なレーザーを単独又は組み合わせて使用可能である。
【００１９】
レーザー投射源１０１として複数レーザーが使用される場合、複数の光ビームをひとつに結合した光ビームに方向付けるために１以上の光学アライメント装置（図１に図示せず）を使用してもよい。さらに、アライメント装置はコヒーレントで多色の光線を形成するように、各レーザーの出力を混ぜ合わせることが可能である。一実施形態では、結合した光ビームに光ビームを方向付けることにダイクロイック（二色性）ミラーを使用可能である。ダイクロイックミラーは、細い帯域幅において選択的に光を通過させるが、その他の光は反射させるダイクロイックフィルターを含む、部分反射ミラーである。
【００２０】
スキャナー１０２は次に、走査光１０７を投射画像１０８として投射面１０４に伝搬する。投射面１０４は多数の形状を取ることが可能であり、該形状は、従来の投射面、マイクロレンズアレイ、開口数エクスパンダ、又は、スキャナー１０２から画像を受領するように構成されたその他の表面を含む。制御回路１０３は、マイクロプロセッサ又はその他のプログラム可能装置であってもよく、スキャナー１０２、及び、これと同様に選択的にレーザー投射源１０１を制御するように組み込み命令を実行する。例えば、一実施形態では、制御回路１０３は投射画像１０８を形成すべく、レーザー投射源１０１から受信される光１０６の走査を制御するようプログラムされている。
【００２１】
図２で示されているのは、本発明の実施形態での使用に適した走査レーザー投射源の一実施形態において使用される構成要素のうちのいくつかである。図２に示した実施形態では、システムはＭＥＭＳ走査レーザー源２００を使用している。本発明の実施形態に使用に適切な実例のような、ＭＥＭＳ走査光源の実例はＵＳ特許出願公開２００７／０１５９６７３の「改善した画像品質を有する基板導入ディスプレイ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ｇｕｉｄｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｉｍａｇｅ  Ｑｕａｌｉｔｙ）」に記述されており、これは参照によってここに組み込まれる。
【００２２】
図２では、ＭＥＭＳ走査光源２００は、３つの光源２０１、２０２、２０３を採用している。ビーム結合器２０４は、ダイクロイックミラーを採用してもよいが、光源２０１、２０２、２０３の出力を結合して結合変調ビームを作成する。可変コリメーション又は可変フォーカス光学素子２０５は、可変的に形成された走査光ビーム２０７として、ＭＥＭＳ走査ミラー２０６によって走査される可変的に形成されたビームを作成する。本発明の実施形態への使用に適切な実例のような、ＭＥＭＳ走査ミラーの実例は、同一出願人による、同時係属の出願日２００７年７月１０日のＵＳ特許出願１１／７７５，５１１「走査ビーム光源を伴う使用のための基板ガイドリレー（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ｇｕｉｄｅｄ  Ｒｅｌａｙｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｗｉｔｈ  Ｓｃａｎｎｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ）」及び上記の米国特許出願公開２００７／０１５９６７３に記述されており、その内容を参照によりここに組み込む。そして走査光ビーム８０７は埋め込まれた開口数エクスパンダ（１０５）に向けられる。
【００２３】
図３で示すとおり、別のＭＥＭＳ走査レーザーエンジン３００の詳細を説明する。制御回路３０３はＭＥＭＳスキャナー３０２、及び、選択的にレーザー投射源３０１を制御する。この図示した実施形態では、ＭＥＭＳスキャナー３０２はラスターパターンで投射面３０４をスイープ（掃引、ｓｗｅｅｐ）するように構成されている。フィード（送出、供給）されたビーム３５４は、様々な構成要素の物理的幾何学によって、及び、走査ビームを妨害しない必要性によって定められた入射角でＭＥＭＳスキャナー３０２の表面に伝送される。ＭＥＭＳスキャナー３０２に配置された反射面の走査動作は投射面３０４に情報３０８を示すようにスイープパターンの光をリダイレクト（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）する（光の方向を変える）。
【００２４】
図３で示されたような投射システムでは、レーザー投射源３０１及びスキャナー３０２の間で定められた入射角が小さい限り、システムは良好に作動し、歪みのない画像３０８を提供する。しかしながら、実験的試験によれば、いくつかのケースでは、入射角が大きくなると走査エンジンの全体サイズを削減可能である。該試験では、入射角が設計上の閾値（約１４度あるいは１５度をとり得る）を越えて増加すると顕著な歪みが生じることが示された。歪みは入射角が大きいことが原因となっている。
【００２５】
例えば、図３は、入射角が設計上の閾値を下回っているシステムを表している。この図示された実施形態では、設計上の閾値は約１４度あるいは１５度である。すなわち、入射角は、９度又は１０度又はは１１度であってもよい。反射面のスイープ運動（ｓｗｅｅｐｉｎｇ  ａｃｔｉｏｎ）は走査錐体３５２を作り出す。走査錐体３５２の略中央のビームは「主ビーム（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ  ｂｅａｍ）」３５３と示される。主ビーム３５３は、一般的に走査錐体３５２の方向を定め、そして、走査ミラーが中央静止位置にあるときにスキャナー３０２から反射されたフィードビームの方向を示す。また、主ビーム３５３は、走査錐体３５２が伝搬する方向を示す。入射角が設計上の閾値を下回るので、画像３０８は正常に表示されて歪みを含まない。
【００２６】
これに対し、図４は、入射角が設計上の閾値を上回った走査エンジン４００を表している。この図示した実施形態では、入射角は約２７度又は２８度であり、上記の１４度から１５度の閾値を大きく上回る。この大きな入射角は走査錐体４５２で非対称を導入し、結果として「台形収差（ｋｅｙｓｔｏｎｅ  ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）」として知られる歪みを有する投射画像をもたらす。走査錐体４５２が主ビーム４５３に対して「傾斜する（ｔｉｌｔｅｄ）」ことにより、他方側４８２と比べて「縮んだ（ｐｉｎｃｈｅｄ）」一方側４８１を有するように見える場合に台形収差が発生する。
【００２７】
図４では、図３のように、ＭＥＭＳ走査エンジン４００は、制御回路４０３、レーザー源４０１及びＭＥＭＳスキャナー４０２を含む。レーザー源４０１及びＭＥＭＳスキャナー４０２は、設計上の閾値を越える入射角でフィードビーム４５４がＭＥＭＳスキャナー４０２に送出されるように整列されており、この実施形態では入射角は１５度である。主ビーム４５３が通常のポインティング方向を定める一方で、主ビーム４５３の周りに配置される走査錐体４５２は歪む。なぜなら、高入射角のスキャナーのフィードにより、平面が事実上「傾斜」面に効果的に投射されるからである。これが主ビーム４５３に対する「傾斜した走査対象の平面（ｔｉｌｔｅｄ  ｓｃａｎ  ｏｂｊｅｃｔ  ｐｌａｎｅ）」を作り出し、台形収差となって表れる。
【００２８】
また、図３の走査エンジン（３００）が垂直方向に配列されているが、図４の走査エンジン４００は水平方向に配列されていることに注目するかもしれない。実験的試験は、レーザー投射源に対してＭＥＭＳスキャナーを水平方向に構成することにより、走査エンジンがよりコンパクトな形状因子で製造可能であることを示しているため、図４の走査エンジン４００は水平方向のフィードシステムとして示されている。さらにコンパクトな形状因子は多くの用途においてより有益である。しかしながら、水平方向の整列は、設計上の閾値よりも実質的に大きい入射角を屡々要求する。この必要性は、フィードビームの入射角は走査画像への妨害を避けるほどに十分な大きさでなければならないため、典型的に、投射画像の水平寸法は垂直寸法よりも大きく、供給ビームが水平軸に沿って構成されるときにより大きなフィードビームの入射角が必要となることに起因する。その結果、水平方向に整列されたシステムは頻繁に台形収差の影響を受ける。しかしながら、垂直方向に整列されたシステムもまた、入射角が設計上の閾値を超えた場合には台形収差からの影響を受ける点に留意すべきである。本発明の実施形態は、配列に関わらず、高入射角によって引き起こされる台形収差の解決策を提供する。
【００２９】
投射面４０４に対してプロジェクタ構成要素を移動させることが可能なシステムでは、台形収差の補正は困難である。例えば、投射システム全体の単純な回転は、情報（ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ）の第１側部４８１を拡大し、第２側部４８２を収縮させる原因となる。このことは一般的に図５に示されており、ＭＥＭＳ走査エンジン４００が投射面４０４に対して僅かに回転される。実際には、この回転は投射システムのハウジング内で行われるため、ユーザは、投射システムをはす向かいの配置構成にするよりも、主面を投射面と一致させることが可能である。台形収差の補正において、投射システムの回転は、ＭＥＭＳ走査システムにおいて約１２度から１５度となり得るが、もはや画像５０８がＭＥＭＳスキャナー４０２の真正面にはないことを意味する。代わりに、それは回転量に応じて軸外に整列される。これは「軸外（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）」投射として知られる。
【００３０】
台形収差の回転補正にも関わらず、このような水平方向にフィードされる軸外投射システムを阻害する歪みの他の特性がまだ存在する。第一に、図５に示される「垂直スマイル（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｓｍｉｌｅ）」収差である。第二に、図６に示される「アナモフィック（ａｎａｍｏｒｐｈｉｃ）」収差である。それぞれを詳細に説明する。
【００３１】
再度、図５を参照すると、画像５０８は垂直スマイル収差の影響を受けている。垂直スマイル収差は、走査システム内に発見され、投射面に亘ってミラー走査ビームが原因である。垂直スマイル収差が起こるとき、中心高さ５５２が外方高さ５５３よりも小さいので、いずれも同じ高さであるにも関わらず、画像５０８の上側部５５０が垂れ下がる。垂直スマイル収差の割合は、外方高さ５５３と中心高さ５５２との差を中心高さ５５２で割ったものとして表される。
【００３２】
図６に、「アナモフィック」収差の影響を受ける画像６０８が示されている。便宜上、画像６０８は、画像６０８の上部に表された画像データのプロット６６２とともに投射面６０４に示されている。その両方について説明する。アナモフィック収差は、画像６０８の伸長部６６０と圧縮部６６１が水平方向と垂直方向との間で異なるところで起こる。投射システムは台形収差を補正するために回転できるという、上記議論を思い出して欲しい。これがなされると、アナモフィック収差が画像６０８に導入され得る。
【００３３】
例えば、図６の実施形態では、ピクセルセット６６３が圧縮され、他方、ピクセルセット６６４が伸長される。歪みの割合は下記の式で表される。
【００３４】
Ｗｐ＝（長さ６６５＋長さ６６６）／２           （式１）
【００３５】
％歪み左＝（（長さ６６５−Ｗｐ）／Ｗｐ）  ＊  １００  （式２）
【００３６】
％歪み左＝（（長さ６６６−Ｗｐ）／Ｗｐ）  ＊  １００  （式３）
【００３７】
本発明の実施形態を踏まえて構成された投射システムは、垂直スマイル収差及びアナモフィック収差の両方を実質的に補正するように構成された光学装置を採用する。「実質的に（Ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、垂直スマイル収差及びアナモフィック収差が、通常の観察者が気付かない状態にするに足る補正を意味する。本発明の１又は複数の実施形態を踏まえて構成された光学装置を使用することにより、画像６０８にさらなる台形収差をもたらすことなく、垂直スマイル収差及びアナモフィック収差を補正することが可能である。
【００３８】
図７は、無限遠フォーカスの投射システムの使用に適した光学装置７００の一実施形態を表している。一実施形態では、光学装置７００は、主面７０１、７０２として示されている、２つの異なる非共軸、屈折性の「自由形状（フリーフォーム、ｆｒｅｅ−ｆｏｒｍ）」光学面を採用することにより。垂直スマイル収差及びアナモフィック収差を補正する。図７の実施形態では、主面７０１は凸面であり、他方、主面７０２は凹面である。また、この実施形態では、主面７０１、７０２は互いに非共軸である。
【００３９】
「自由形状（ｆｒｅｅ−ｆｏｒｍ）」という用語は、２つの独立した横軸座標変数の関数である多項式によってそれぞれ定義される主面７０１、７０２を説明するのに使用される。換言すれば、主面７０１、７０２の外形（輪郭）を定義する関数は、２つのデカルト変数の関数として表すことができるが、単一の放射変数の関数として表すことはできない。すなわち、自由形状面は回転対称又は放射対称のいずれをも有していない。対照的に、典型的なレンズは球状または非球状であり、それゆえ、回転対称である。本発明の実施形態は、多項式の２つの横軸変数によって表される自由形状面を採用する。さらに、多項式の次数が自由形状面を定める。ここに説明された実施形態は、垂直スマイル収差及びアナモフィック収差を実質的に補正するために必要な任意の次数の多項式を採用することができる。
【００４０】
一実施形態における光学装置７００の別の特徴は、光学装置７００を通過する、ビーム及び走査錐体に本質的なゼロ出力を適用することである。「本質的なゼロ出力（Ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｚｅｒｏ  ｐｏｗｅｒ）」は、光学装置７００によって適用される任意のビーム拡大が、任意の寸法の１ピクセルよりも小さいことを意味する。換言すると、許容誤差によるごく少量の出力は除き、光学装置７００を通過するビームに拡大が適用されない。本質的なゼロ出力の自由形状面（例えば主面７０１、７０２）を使用して、自由形状面を分離する少なくとも１つの寸法７０５に沿って減少する厚み７０４を有する光学材料７０３に対して自由形状面を非共軸化することにより、投射システムの解像度又は無限遠フォーカス特性のいずれかに大きな影響を与えることなく、極めて高い歪み補正及び指向性補正が得られることが実験的試験に表される。加えて、ビーム又は走査錐体が光学装置７００を通過するときに色収差はほとんど起こらないことを試験は示している。さらに、光学装置７００が本質的にゼロ出力であるとき、比較的緩い許容誤差で製造が可能となる。
【００４１】
１以上の実施形態では、走査ビーム画像作成の使用に適した光学装置７００は、以下の特性のうち１以上を含む。本質的に光学出力（パワー）がない。光学装置７００を通過する光線は、自由形状面の外形と、自由形状面の間に配置された光学材料７０３の可変厚み７０４とに準じてリダイレクト（方向転換）される。光学装置７００は光学的透過性を有する。主面７０１、７０２は互いに異なる自由形状の関数で表される。そして、いくつかの実施形態では、主面７０１、７０２は比較的狭い範囲内の係数を使用する、自由形状の関数によって表される。スキャナーから反射された走査錐体を形成する光ビームは光学装置７００を通過することで、軸外走査投射システムに使用される場合、実質的に垂直スマイル収差及びアナモフィック収差の両方を含まない画像を形成する。同時に、多くの走査画像システムに固有の無限遠フォーカスの品質が保持される。さらに、試験では、光学装置７００によって導入されたビーム拡大はピクセルよりも小さいことが示された。
【００４２】
図７に示すとおり、主面７０１、７０２の間に配置された光学材料７０３の厚み７０４は、小さなウェッジ（くさび）を形成するように寸法（奥行き）７０５に亘って僅かに変化する。図１０に示すように、軸外走査ビームが投射システムから出るときに曲がるという事実により、光学装置７００の厚み７０４はわずかに変化するように構成されている。このように、可変厚み７０４は走査錐体に亘って場依存性のウェッジ（ｆｉｅｌｄ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｗｅｄｇｅ）を作り出す。１以上の実施形態では、可変厚み７０４は、ビームの無限遠フォーカス特性に影響しない寸法７０５に沿って非常にゆっくりと変化する。走査錐体の光線は、光学パワーを適用することなく、わずかに曲げられるかリダイレクトされる。結果として、光学装置７００を通過するビームのフォーカス（焦点）は変わらない。
【００４３】
投射システムの無限遠フォーカスの性能は、自由形状の主面７０１、７０２が光学材料の可変厚み７０４によって導入されるビームの任意の非点収差の歪みを補正するという事実によって、維持されている。この可変厚み７０４は、ビームを曲げる必要がある。しかし、自由形状面は、全ビームを所定角度で導きつつ、角度ごとに（ａｎｇｌｅ−ｂｙ−ａｎｇｌｅ  ｂａｓｉｓ）非点収差性をキャンセルすることに使用される。
【００４４】
図７の実施形態では、光学装置７００は主面７０１、７０２及び光学材料７０３に加えて、別の特徴（構成）をも含んでいる。例えば、マウント機能７０６、７０７、７０８が設計に含まれており、光学装置７００を投射システムのハウジングに取り付けることを可能にする。これらのマウント機能７０６、７０７、７０８は選択的である。さらに、各マウント機能７０６、７０７、７０８の構成がハウジングの設計に基づいて変更されることは、この発明を開示したことによる利益を受ける当業者にとって明白である。
【００４５】
いくつかの実施形態では、水平スマイル収差（画像の側部の中心で縮む）が、垂直スマイル収差を補正するときに発生する虞がある。しかしながら、図７に示された光学装置７００を走査ディスプレイとともに使用することに関連する１つの利点があり、それは、スキャナー及び関連電子ビデオ処理が任意の水平スマイル収差の補正に使用可能であることである。結果として、水平スマイル収差が発生したとしても、この効果は、スキャナーやビデオ処理によって打ち消されて、歪みのない画像を作り出すことができる。さらに、画像を形成すべくラスターパターンをスイープするスキャナーを採用する１以上の実施形態では、スキャナーを操作するビデオ処理電子機器及び制御回路が、複雑なフレームバッファー及び／又は歪みの再マッピングを何ら要することなく、水平スマイル収差を補正可能である。
【００４６】
図８及び図９では、光学装置８８０を使用する投射システムの要素又は本発明の１以上の実施形態を踏まえて構成された要素が示されている。図８はスキャナー８０２及びレーザー光源８０１を備えるレーザー走査エンジン８００を示し、他方、図９はハウジング９９０に配置されたレーザー走査エンジン８００を示している。この実施形態におけるスキャナー８０２はＭＥＭＳ走査装置である。スキャナー８０２及びレーザー光源８０１が水平方向に配向されているため、図９に示すとおり、スキャナー８０２はレーザー光源８０１によって水平方向にフィードされる。この実施形態では、水平方向の配列のおかげでレーザー光源８０１とスキャナー８０２との間の入射角が、設計上の閾値よりも大きくなる。この実施形態では、入射角は約１８度である。投射システム９００は、画像９９５を作成すべく走査錐体９９４内の１又は複数のビーム９９１、９９２、９９３を走査するように構成されている。走査錐体９９４は光学装置８８０を通過し、該光学装置８８０はハウジング９００の出力に配置される。ＭＥＭＳ走査装置がスキャナー８０２として使用されるとき、投射システム９００は本質的にほぼ無限の焦点深度を有する。
【００４７】
この実施形態では、光学装置８８０はそこに統合（一体化）されたミラー８８１を有する。図９に示すとおり、この選択的な機能により、放出光９５４がミラー８８１に反射してスキャナー８０２に向かうことが可能となる。本開示の利益を受ける当業者にとって、ミラー８８１は、それが含まれる場合、様々な方法で光学装置８８０に統合可能であることは明白である。この実施形態では、光学装置８８０がガラス又はプラスチックのような等方性物質から製造されている場合、ミラー８８１は光学装置８８０の第１側部８８２からの延長部として形成可能である。
【００４８】
上述のように、光学装置８８０は、画像９９５に表れる垂直スマイル収差及びアナモフィック収差の両方を実質的に補正するように構成されている。この目的を達成するために、光学装置８８０は、光学装置８８０の可変厚み８０３によって定められた所定量分、主ビーム９９２（その他のビーム９９１、９９３と同様に）をリダイレクト（方向転換）する。そして、走査錐体９９４に亘って角度ごとに可変厚み８０３によって発生する非点収差の歪みを補正する。非点収差補正は、走査錐体９９４の無限遠の焦点深度を維持するように機能する。例えば、一実施形態では、無限の焦点深度が１０ｍを超える場合、焦点深度は２０％未満で変化する。スポットサイズ、すなわちピクセルサイズは、同じく実質的に影響を受けず、これにより、このような走査レーザー投射システムに関連する解像度を維持する。
【００４９】
光学装置８８０は実質的に垂直スマイル収差及びアナモフィック収差を補正する。従って、図１０に示すとおり、光学装置８８０から出るとき、投射システム９００から放出される走査錐体９９４は実質的に主ビームに対して再整合（再編成）される。主ビーム９９２は、上記のように、走査錐体９９４の進行方向を定める。
【００５０】
図８から図１０の光学装置８８０を使用することによる結果が図１１に示されている。図１１では、水平方向にフィードされるＭＥＭＳ走査エンジン１１００から伝搬される画像１１０８は、台形収差、垂直スマイル収差又はアナモフィック収差によってもはや影響されることはない。その代わりに、情報（ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ）１１０８はクリアで読みやすい。放出された走査錐体９９４の視野１１１１は光学装置（８００）によって実質的に影響されない。
【００５１】
本明細書では、本発明の特定の実施形態が説明された。しかしながら、本技術分野の当業者は、様々な改変及び変更を、特許請求の範囲で定められる本発明の技術範囲から外れることなく実行可能であることを認めるであろう。すなわち、本発明の好適な実施形態が説明されたが、本発明が限定されないことは明らかである。多くの改変、変更、変形、置換及び同等物が、特許請求の範囲で定められる本発明の思想及び範囲から逸脱することなく当業者にとって発想可能であることは明らかである。したがって、明細書及び図面は、限定的な意味でなく説明として解釈されるべきであり、このような全ての改変が本発明の範囲内に含まれるように意図される。利益、利点、問題への解法、及び、任意の利益、利点又は（発生する又はより発言される）解法を導く任意の要素は、一部又は全請求項の決定的な必要な又は本質的な特徴又は要素として解釈されるべきではない。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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