(57)【要約】【課題】１次元表示素子を用いることにより高解像度化への対応を図るとともに、小型で安価な光走査装置及び２次元画像形成装置を実現する。【解決手段】複数の発光部又は光変調部を一方向に配列した１次元表示素子２からの光を、投影光学系３において３回以上に亘って反射させて１次元像を形成する。そして、光偏向手段４によって、１次元表示素子１１における発光部又は光変調部の配列方向と直交する方向を含む面内において光走査を行うことで２次元像を得る。この２次元像を、中間像としてそのまま拡大して投影するための拡大投影系５を配置した。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光部又は光変調部を一方向に配列した１次元表示素子と、
前記１次元表示素子からの光を、３回以上反射させて投影像を形成する投影光学系と、
前記投影光学系において３回以上の反射により得られる光を、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向と直交する方向を含む面内において走査することで２次元像を得るための光偏向手段を備えている
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
請求項１に記載した光走査装置において、
前記１次元表示素子が位相反射型回折格子であって、該位相反射型回折格子による回折光のうち、特定次数の回折光を遮断するシュリーレン絞りが、前記投影光学系を構成する光学要素の反射面に設定されている
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項３】
請求項１に記載した光走査装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、該光偏向手段による前記１次元表示素子の配列方向と直交する方向の像面湾曲を補正する機能をもつ光学素子を配置するとともに、該光学素子については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向と光軸方向とを含む面内での曲率と、該第一の方向に直交する第二の方向と光軸方向とを含む面内での曲率とが異なる面を有する
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項４】
請求項２に記載した光走査装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、該光偏向手段による前記１次元表示素子の配列方向と直交する方向の像面湾曲を補正する機能をもつ光学素子を配置するとともに、該光学素子については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向と光軸方向とを含む面内での曲率と、該第一の方向に直交する第二の方向と光軸方向とを含む面内での曲率とが異なる面を有する
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項５】
請求項１に記載した光走査装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、フレネル面を有する光学素子を配置するとともに、
該光学素子のフレネル面については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向及び光軸方向を含む面内、又は該第一の方向に直交する第二の方向及び光軸方向を含む面内でパワーを有する
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項６】
請求項２に記載した光走査装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、フレネル面を有する光学素子を配置するとともに、
該光学素子のフレネル面については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向及び光軸方向を含む面内、又は該第一の方向に直交する第二の方向及び光軸方向を含む面内でパワーを有する
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項７】
複数の発光部又は光変調部を一方向に配列した１次元表示素子と、
前記１次元表示素子からの光を、３回以上反射させて投影像を形成する投影光学系と、
前記投影光学系において３回以上の反射により得られる光を、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向と直交する方向を含む面内において走査することで２次元像を得るための光偏向手段と、
前記投影光学系及び光偏向手段によって得られる２次元像を中間像として、これを拡大して投影するための拡大投影系を備えている
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項８】
請求項７に記載した２次元画像形成装置において、
前記１次元表示素子が位相反射型回折格子であって、該位相反射型回折格子による回折光のうち、特定次数の回折光を遮断するシュリーレン絞りが、前記投影光学系を構成する光学要素の反射面に設定されている
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項９】
請求項７に記載した２次元画像形成装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、該光偏向手段による前記１次元表示素子の配列方向と直交する方向の像面湾曲を補正する機能をもつ光学素子を配置するとともに、該光学素子については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向と光軸方向とを含む面内での曲率と、該第一の方向に直交する第二の方向と光軸方向とを含む面内での曲率とが異なる面を有する
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項１０】
請求項８に記載した２次元画像形成装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、該光偏向手段による前記１次元表示素子の配列方向と直交する方向の像面湾曲を補正する機能をもつ光学素子を配置するとともに、該光学素子については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向と光軸方向とを含む面内での曲率と、該第一の方向に直交する第二の方向と光軸方向とを含む面内での曲率とが異なる面を有する
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項１１】
請求項７に記載した２次元画像形成装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、フレネル面を有する光学素子を配置するとともに、
該光学素子のフレネル面については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向及び光軸方向を含む面内、又は該第一の方向に直交する第二の方向及び光軸方向を含む面内でパワーを有する
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項１２】
請求項８に記載した２次元画像形成装置において、
前記光偏向手段と、該光偏向手段により得られる２次元像の像面との間に、フレネル面を有する光学素子を配置するとともに、
該光学素子のフレネル面については、前記１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向及び光軸方向を含む面内、又は該第一の方向に直交する第二の方向及び光軸方向を含む面内でパワーを有する
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【請求項１３】
請求項１に記載した光走査装置において、
複数の光変調部を一方向に配列した１次元光変調素子と、該１次元光変調素子に対して光を照射するためのコヒーレント光源を備えている
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項１４】
請求項７に記載した２次元画像形成装置において、
複数の光変調部を一方向に配列した１次元光変調素子と、該１次元光変調素子に対して光を照射するためのコヒーレント光源を備えている
ことを特徴とする２次元画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１次元の画素ラインに対応した発光部又は光変調部を一定方向に配列させた構成を有する１次元表示素子を用いて、２次元像を形成するための技術に関する。例えば、スクリーン上に映像を拡大投影する画像表示装置（プロジェクタ装置）等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ライトバルブ等の２次元表示素子及び投影系を用いて像を拡大投影するプロジェクタ装置について各種の構成形態が提案され、実用化されている。
【０００３】
ところで、近年において新しい放送方式の導入や、演算素子の進歩に伴う画像処理速度の向上、あるいは、フィルムを使って拡大投影を行う従来形態（所謂アナログシネマ）から、ディジタル信号処理を利用した形態（ディジタルシネマ）への変換等において、高解像度に対する要求が高まりつつある。
【０００４】
しかしながら、２次元表示素子は、このような高解像化への流れに追随することが難しい状況にあり、その理由として画素数の増加や画素サイズの小型化に起因する不都合が挙げられる。
【０００５】
例えば、表示素子のサイズを固定したままで、（総）画素数を増やすことによって高解像化を図ろうとすると、表示部の開口部についての縮小化を余儀なくされる結果、明るさが犠牲になる（明るいプロジェクタ装置の実現が困難になる）。一方、画素サイズを固定のままで高解像化を図ろうとすると、必然的に表示素子のサイズが大きくなってしまうという不都合を招き、光学系を含めた装置が大型化したり、高価なものになってしまう。
【０００６】
尚、画素の小サイズ化については、表示素子の製造工程において、より小さな異物混入の防止対策を講じる必要をもたらす。また、表示素子の大型化においては、生産装置そのものの大型化が必要となる。
【０００７】
そこで、１次元表示素子を用いて所定方向への走査を行う構成形態を採用すれば、素子の画素配列数を大幅に低減することができる。
【０００８】
一例として、高精細度テレビあるいは高品位テレビ、所謂ＨＤＴＶ（Ｈｉｇｈ　Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ＴｅｌｅＶｉｓｉｏｎ）において、２次元表示素子を用いる場合には、１９２０×１０８０≒２０７万画素に相当する素子数が必要であるのに対して、１次元表示素子を用いてＨ（水平）方向に走査を行うシステムでは、１０８０画素に相当する素子数で実現できるので、後者の優位性は明らかである。
【０００９】
このような１次元表示素子としては、例えば、米国のシリコンライトマシーンズ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ）社製のＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｌｉｇｈｔ　Ｖａｌｖｅ）が知られている（米国特許第５３１１３６０号を参照。）。尚、このＧＬＶは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を駆使して形成された位相反射型回折格子により構成されている。
【００１０】
ＧＬＶを１次元光変調素子として、該ＧＬＶに対して光を照射する照明光学系とともに用いることによって、画像信号に基いて各画素を構成する回折格子を機械的に動作させ、その結果生じる光の位相差を制御することで、ＧＬＶを画像表示素子として機能させることができる。その場合、光学系としては、各画素を構成する回折格子からの±１次回折光と、０次回折光とを分離し、その一方の光（ＯＦＦ光）の遮蔽を行うために、シュリーレン光学系を用いることにより、画像が形成される。
【００１１】
１次元表示素子を用いた大画面表示用ディスプレイ装置において、プロジェクタ光学系を用いる構成については、例えば、米国特許５９８２５５３号、特表２０００−５１３１１４号公報等に示されるように、１次元表示素子に対して投影レンズと、該レンズを透過した光についての光偏向装置を配置している。つまり、１次元表示素子の１次元中間像を投影レンズによって拡大投影してから、さらに、該投影レンズの瞳位置、又はその周辺に光偏向装置を配置して、光走査を行ってスクリーン上に２次元投影像を得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成にあっては、装置の大型化や複雑化等に関して、下記のような問題がある。
【００１３】
例えば、光偏向装置への負荷低減を目的として、１次元中間像の拡大投影に用いる投影レンズの瞳位置がレンズより離れた位置に配置されるために、投影レンズの大型化を招く。また、投影レンズについて変倍機能を付加させると、変倍に伴い走査角度を変えなければならず、これがシステム構成の複雑化の原因となってしまう。この他、像の歪みについても構成に起因した問題が挙げられる。例えば、投影レンズの光軸を１次元中間像に対してずらすこと（シフト）により、スクリーン上で投影像の位置調整を行えるように構成したシステムでは、当該シフトに伴って著しい歪みが発生してしまう。また、背面投射型装置（所謂リアプロジェクタ）等のように、投射距離が短い場合には歪曲の影響が大きくなると同時に、スクリーン上での焦点ずれも引き起こし、画質劣化の原因となる。
【００１４】
そこで、本発明は、１次元表示素子を用いることにより高解像度化への対応を図るとともに、小型で安価な光走査装置及び２次元画像形成装置の実現を課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光走査装置は、上記した課題を解決するために、複数の発光部又は光変調部を一方向に配列した１次元表示素子からの光を、投影光学系において３回以上に亘って反射させて投影像（１次元像）を形成するとともに、投影光学系を経た出射光を、１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向と直交する方向を含む面内で光偏向手段により走査することで２次元像を得るものである。
【００１６】
そして、本発明に係る２次元画像形成装置は、投影光学系及び光偏向手段によって得られる２次元像を、中間像として拡大して投影するための拡大投影系を備えたものである。
【００１７】
従って、本発明によれば、１次元表示素子からの光を反射させる投影光学系を１次元投影光学系として構成し、その１次元像を光偏向手段によって、１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向と直交する方向に光走査を行うことで２次元像を得ることができる（即ち、拡大投影系を経る直前の段階で１次元像に係る走査を行って２次元像が得られるので、該２次元像をそのまま拡大投影することが可能になる。）。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る基本構成の説明図であり、光走査装置１ａを含む２次元画像形成装置（１次元像から２次元像を形成する装置）１の構成を示している。
【００１９】
光走査装置１ａについては、１次元表示素子２、投影光学系３、光偏向手段（あるいは光偏向装置）４を備えている。
【００２０】
１次元表示素子２は、複数の発光部又は光変調部を一方向に沿って配列したものであり、下記に示す形態が挙げられる。
【００２１】
・複数の発光部をライン状に配列した１次元発光表示素子
・複数の光変調部をライン状に配列した１次元光変調素子。
【００２２】
尚、１次元光変調素子としては、例えば、上記のＧＬＶに代表される位相反射型回折格子等が挙げられるが、この場合には素子自身が発光しないので、光源が必要である（コヒーレント光源が望ましい。）。
【００２３】
投影光学系３は、１次元表示素子２から入射される光を、３回以上反射させて投影像を形成するものであり、反射系の１次元投影光学系である。例えば、等倍投影として、米国特許３７４８０１５号に示されるオフナー光学系が基本系として挙げられ、この系では３回反射とされる。つまり、１回目と３回目の反射については同心かつ同一曲率半径の曲面で行われ、２回目の反射が別の面で行われるために、一対の反射鏡を用いて構成される。尚、その発展型については、例えば、ＡＰＰＬＩＥＤ　ＯＰＴＩＣＳ　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．１９　Ｐ．３２２５のＪｏｓｅｐｈ　Ｍ．Ｈｏｗａｒｄ著、”Ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｕｓｉｎｇ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｇｒａｐｈｉｃｓ”に示されている。また、反射投影光学系による縮小又は拡大系に関して、例えば、３回反射については、日本特許第２６０３２２５号、米国特許５１５３８９８号、米国特許５２２０５９０号、米国特許５３５３３２２号等が挙げられ、また、４回反射については、米国特許５０６３５８６号、米国特許５４１０４３４号、特開２０００−９８２２７号公報等が挙げられ、さらに多くの反射を用いる例として、特開平９−２１１３２２号公報に開示の構成が挙げられる。これらの例では、縮小系、あるいは拡大系として示されているが、物像関係を逆転させることにより、縮小、拡大の関係も逆転する。また、いずれの場合も光偏向による走査によって２次元像を得ることができる。
【００２４】
尚、投影光学系３については、３回以上の反射を基本とし、また、オフナー光学系に限らず、複数の反射手段を個別に組み合わせた構成形態が可能であり、等倍系、縮小系、拡大系の如何は問わない。
【００２５】
光偏向手段４は、投影光学系３からの光に対する走査を行うことで２次元像を形成するために設けられている。つまり、投影光学系３において３回以上の反射により得られる出射光を、１次元表示素子２における発光部又は光変調部の配列方向と直交する方向を含む面内において光走査することで２次元像を得るものであり、例えば、回転反射鏡（ガルバノミラー等）が挙げられる。
【００２６】
光偏向手段４を経て得られる２次元像は、拡大投影系５を介して拡大されてスクリーン６上に投影される。つまり、拡大投影系５は、投影光学系３及び光偏向手段４によって得られる２次元像を中間像として、これを拡大して投影するための光学系である。
【００２７】
このように、本発明では、拡大投影系５の前段階で、光偏向手段４による走査（１次元表示素子２に係る配列方向と直交する方向への光走査）によって、２次元像を得ることができる。
【００２８】
尚、複数の光変調部を一方向に配列した１次元光変調素子を用いる場合には、当該１次元光変調素子に対して光を照射するための光源が必要であり、当該光源から１次元光変調素子に照射された後で投影光学系３に入射される光を、３回以上反射させてから、光偏向手段４によって、１次元光変調素子における光変調部の配列方向と直交する方向を含む面内で光走査を行うことで２次元像を得ることができる。
【００２９】
図２及び図３は、１次元光変調素子の一例としてＧＬＶ素子７の動作原理について説明するための図である。尚、図２において、基板８に向かう矢印「Ｉ」が入射光の向きを示し、基板８から遠ざかる矢印「Ｒ」が反射光の向きを示しており、また、図３において、基板８に向かう矢印「Ｉ」が入射の向きを示し、矢印「Ｄ＋１」が＋１次回折光の向きを示し、矢印「Ｄ−１」が−１次回折光の向きを示している。
【００３０】
反射回折格子型の素子では、基板８上に多数の可動格子９及び固定格子１０を一定方向に配列した構成を有しており、交互に配列された可動格子９と固定格子１０の表面には反射膜がそれぞれ形成されている。つまり、可動格子９は可撓性梁（マイクロブリッジ）とされて基板上に弾性支持され、その表面に反射膜９ａが形成され、また、固定格子１０の表面には反射膜１０ａが形成されている。
【００３１】
そして、基板８のうち、可動格子９及び固定格子１０が配置される方の面８ａとは反対側の面には電極層８ｂが形成されている。
【００３２】
可動格子９と電極層８ｂとの間に電位差を与えない状態では、図２に示すように、可動格子９と固定格子１０との高さが揃っていて、それらの反射面の高さ（基板８からの距離）が一致するので、回折作用が起きない。よって、面８ａに平行な破線で示すＩ方向からの入射光波面Ｗｉについては、そのまま正反射光、即ち０次光としてＲ方向に反射される。
【００３３】
可動格子９と電極層８ｂとの間に電圧をかけると、静電引力により可動格子９が基板８側に撓んで引き寄せられるので、光学的光路差を変化させることができる。即ち、図３において誇張して示すように、格子の深さ（可動格子９と固定格子１０との高さの差）が、光波長λの４分の１（λ／４）になるように可動格子９と電極層８ｂとの間に電位差を与えて、可動格子９を基板上の面８ａに近づけると、反射回折作用が起きる。Ｉ方向からの入射光波面Ｗｉは、「Ｄ＋１」方向や、「Ｄ−１」方向に向かう±１次回折光の波面Ｗｄ＋、Ｗｄ−（図では、Ｗｉを示す破線よりも間隔の狭い破線で示す。）となって出射される。
【００３４】
このように、電圧をかけない非駆動状態で正反射（０次反射光）が、また電圧印加による駆動状態で回折光（１次回折光）が得られるので、それらの状態を画素毎に制御することで光変調が可能となる。つまり、各画素に対応する個々の可動格子の深さを画像信号に対応させて制御を行うことにより、位相反射型回折格子が得られる。
【００３５】
１次元光変調素子として、上記ＧＬＶ素子のような位相反射型回折格子を用いる場合には、該回折格子による回折光のうち、特定次数の回折光を遮断するシュリーレン絞りを、投影光学系３の構成面（反射面）に設定することが好ましい。例えば、投影光学系３として、オフナー光学系を採用する場合には、２回目の反射面にシュリーレン絞りを設定することができ、これにより、全体の構成部品を削減することで安価な２次元画像形成装置を実現できる。
【００３６】
次に、光偏向手段４による走査角度が大きい場合に問題となる像面湾曲への対策について説明する。尚、これは、走査角度が大きいときに形成される２次元像面が、光偏向装置においてライン状に形成される反射部（つまり、回動自在な反射手段を用いて光偏向を行う場合であり、１次元像に対応する。）を中心軸とする円筒面になることに起因するものである。
【００３７】
通常の共軸対称系の球面で構成されるレンズの場合には、正の像面湾曲、即ち、軸外の像面がレンズ側に湾曲する収差の補正手段としてフィールドフラットナー（ｆｉｅｌｄ　ｆｌａｔｔｅｎｅｒ）が知られている。代表的な例として、米国特許２０７６１９０号で示されるように、負パワーのレンズを像面近傍に設置する手法が挙げられる。本発明の場合、補正すべき面が球面ではなく、円筒面であるため、補正すべき方向にのみフィールドフラットナーとして機能する光学素子が必要である。
【００３８】
そこで、光偏向手段４、該手段により得られる２次元像の像面との間に、光学素子を配置するとともに、該光学素子については、１次元表示素子２に係る配列方向と、当該方向に対して直交する方向（光偏向手段による走査方向に対応する）とで、曲率の異なる面を用いることが有効である。つまり、１次元表示素子における発光部又は光変調部の配列方向に対して平行な第一の方向と、光軸方向とを含む面内での曲率と、第一の方向に直交する第二の方向と光軸方向とを含む面内での曲率とが異なる面を有するように光学素子の形状を規定すれば良い。例えば、片側が平面（曲率ゼロ）で、他方の片側が球面の場合、円筒面となる。
【００３９】
光偏向手段のみによる２次元像形成でも問題となるが、このような光学素子を用いて像面補正を行う場合、２次元像を形成する光線角度が、１次元表示素子に係る（発光部又は光変調部の）配列方向と、当該方向に対して直交する方向（光偏向手段による光走査方向に対応する。）とで異なることに起因する弊害が顕著となる。
【００４０】
つまり、上記円筒面（光偏向手段を構成する反射面の回動軸を中心とする円筒面）について像面湾曲を補正した場合に、光偏向手段による光走査方向に関する光線角度は、１次元表示素子に係る配列方向（線状ビームに沿う方向）に関する光線角度に比べて、外側（光軸から離れる側）へ拡がる。これは、上記したように、上記円筒面の場合、光学素子により補正すべき方向は、光偏向手段による光走査方向を含む面内に限られるので、当該面内で光学素子がフィールドフラットナーの機能（負のパワー）をもつからである。
【００４１】
補正後の２次元像位置にスクリーンを設定して観察する場合において、透過、反射の如何を問わず（完全拡散面の場合を除く。）、視野角特性が非対称性を有することになる。また、この２次元像を中間像としてさらに拡大投影を行うための投影系を付設した場合には、レンズ系の入射瞳位置が、１次元表示素子に係る配列方向と、当該方向に直交する方向とで異なるため、よって、全ての光束を取り込むために口径比の大きなレンズが必要になる。これは、投影レンズの大型化、高額化の原因となる。
【００４２】
また、２次元像の形成前において、円筒面（シリンダー面）等を含むレンズで補正を行う場合には、レンズ構成の複雑化が問題となる。つまり、光偏向手段による光走査方向に関して、内側（光偏向手段に近づく側）へ湾曲した像面を、平面に補正する光学的作用と相反する作用が求められることになるので、光線高によるパワー配分を考慮した複雑な構成となってしまう。
【００４３】
そこで、本発明では、１次元表示素子に係る配列方向と、光偏向手段による光走査方向（１次元表示素子に係る配列方向に対して直交する方向）とで、媒質中の光路差の小さいリニアフレネル素子（あるいはリニアフレネルレンズ）を用いることによって、上記の問題を解決している。即ち、光偏向手段４と、該手段により得られる２次元像の像面との間に、フレネル面（あるいは回折面）を有する光学素子を配置するとともに、該フレネル面については１次元表示素子に係る配列方向又は光偏向手段による光走査方向にパワーをもつものとする（光軸対称の形状ではなく、ある方向においてのみパワーをもち、当該方向に対して直交する方向ではパワーをもたない。）。
【００４４】
【実施例】
以下では、本発明に係る各実施例について説明する。
【００４５】
図４及び図５は、第１の実施例に係る２次元画像形成装置１Ａに関する光学系の要部構成を略線的に示したものである。尚、各図において、ＸＹＺの各軸については、ローカル（構成要素毎）に設定され、Ｚ軸が光軸方向を示し、これに直交する２軸をＸ軸、Ｙ軸とする。例えば、図４ではＸ軸が図の紙面内に設定され、Ｙ軸は紙面に直交する軸とされる（よって図４はＸＺ断面を示す図である。）。また、図５は構成の一部を斜視図として示している。
【００４６】
本例１Ａでは、光源１２と、集光光学系１３、１次元素子１１及びオフナー光学系を構成する正鏡１４、副鏡１５、さらに走査ミラー１６を備えている。
【００４７】
本例では、１次元素子１１として１次元光変調素子（ＧＬＶ、反射型液晶素子等）を用いているので、光源１２を必要とする（コヒーレント光源、あるいはインコヒーレント光源）。
【００４８】
集光光学系１３は、光源１２からの光を集光して１次元素子１１に照射するために設けられている。尚、図には単レンズで簡略的に示しているが、１次元素子１１における光変調部の配列方向に沿う方向の線状ビームを１次元素子１１に対して照射するための構成を有する。
【００４９】
１次元素子１１については、光変調部の配列方向がＹ軸方向に規定されている。そして、その反射光（あるいは回折光）について図示しない制御手段によって画像信号に基づいて変調された上で、テレセントリックな条件で等倍投影のオフナー光学系（正鏡１４、副鏡１５）に入射される。該オフナー光学系は、前記した投影光学系３に相当するものであり、３回反射の後に走査ミラー１６に対して光を出射する。
【００５０】
正鏡１４は、１次元素子１１からの光について、１回目と３回目の反射を担当しており、１次元素子１１に近づく方向を向いた凹面鏡である。また、副鏡１５は、２回目の反射を担当しており、正鏡１４に近づく方向を向いた凸面鏡である。集光光学系１３から１次元素子１１に照射されてオフナー光学系に入射された光は、先ず、正鏡１４で反射されてから副鏡１５に到達し、ここで２回目の反射を受けて再び正鏡１４へと向かう。そして、正鏡１４で３回目の反射を受けた光が走査ミラー１６へと向かうことになる。
【００５１】
平板状の走査ミラー１６は、１次元素子１１に係る配列方向（Ｙ軸方向）に対して垂直なＸＺ面（図４の紙面）において、図示しない駆動手段（アクチュエータ等）により回動されることで光走査を行うために設けられており、前記光偏向手段４を構成している。つまり、オフナー光学系から走査ミラー１６に出射される光束は、１次元素子１１の等倍像を形成する光束であるが、当該像の形成前に光走査を行っている。走査ミラー１６の走査角に応じた画像信号に基づき１次元素子１１で光変調を行うことにより、１次元像について、当該像を含む面に直交する方向に走査して形成される２次元像１７が得られる。
【００５２】
尚、図５には、１次元素子１１、正鏡１４及び副鏡１５、走査ミラー１６を示しており、１次元素子１１については光変調部の配列方向に延びる線分で簡略的に図示している。また、１次元素子１１から２次元像面に至る光線については、像高を百分率０％、５０％、１００％で選んだ場合における、それぞれの主光線及び上光線、下光線の光路のみを示している。
【００５３】
本例では、Ｙ軸方向からみた場合に、走査ミラー１６から２次元像１７に至る光線が、オフナー光学系の光軸に対してほぼ直交する方向とされ、当該光線が１次元素子１１から正鏡１４への入射光線や、正鏡１４、副鏡１５の反射光線と交差した位置関係とされる。
【００５４】
図６は、第２の実施例に係る２次元画像形成装置１Ｂについて、光学系のＸＺ断面における要部構成を略線的に示したものである。尚、各図において、ＸＹＺの各軸に関する設定の仕方については、第１の実施例と同じであり、また、以下の説明において機能的に同じ要素については、第１の実施例において使用した符号と同じ符号を用いている（これらの事項は、後述する各実施例についても同様である。）。
【００５５】
本例では、走査ミラー１６に係る角度設定を、前記第１の実施例１Ａとは変えることで、２次元像１７の形成位置を変更している。
【００５６】
即ち、光源１２から、集光光学系１３を介して１次元素子１１に照射された後に、オフナー光学系までの光路については、上記した装置１Ａの場合と同様であるが、正鏡１４からの反射光が走査ミラー１６において反射された後の出射方向が相違している。図示するように、走査ミラー１６により光路変更を受けて出射される反射光は、走査ミラー１６の中心軸（回動軸）を基準として図６における時計回り方向に鋭角的な角度をつけた方向を向いて出射される。
【００５７】
走査ミラー１６を経た後の光線については、図６の紙面に直交するＹ軸方向からみた場合において、１次元素子１１から正鏡１４への入射光線や、正鏡１４による１回目の反射光線、副鏡１５の反射光線と交差する位置関係にはなく、前記した装置１Ａとの比較において、走査ミラー１６に対してオフナー光学系から入射される光の入射角の値が小さくなり（つまり、入射角が浅くなる）、該ミラーの光学有効領域（反射面として作用する領域）も狭いため、光走査ミラー１６の駆動手段にかかる負荷の軽減及び該ミラーの反射率の向上にとって有効である。このように、Ｙ軸方向からみて走査ミラー１６から２次元像１７に向かう光軸が、オフナー光学系の光軸に対して鋭角的な角度（９０゜未満）をなすように、走査ミラー１６の角度設定（あるいは姿勢設定）を行うことが好ましい。
【００５８】
図７は、第３の実施例に係る２次元画像形成装置１Ｃについて、光学系のＸＺ断面における要部構成を略線的に示したものである。
【００５９】
本例では、拡大投影系を用いて２次元像１７を形成しており、４個の反射素子３ａ乃至３ｄによって投影光学系を構成している（つまり、４回の反射後に光走査が行われる。）。
【００６０】
光源１２から発して集光光学系１３を介して１次元素子１１に照射された光は、その後、反射素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの順に反射されてから走査ミラー１６に到達する。そして、走査ミラー１６による光走査によって２次元像１７が得られることになるが、図の紙面に垂直なＹ軸方向からみて走査ミラー１６から２次元像１７に向かう光軸が、反射素子３ｄから走査ミラー１６に向かう光軸に対して鋭角的な角度をなしている。
【００６１】
図８は、第４の実施例に係る２次元画像形成装置１Ｄについて、光学系の要部の構成を斜視図で示したものである。
【００６２】
本例では、１次元素子としてＧＬＶ素子を用いた場合のシュリーレン絞りをオフナー光学系の副鏡に設定している。つまり、光学系の基本的な構成については、前記第１の実施例に示す装置１Ａと同様であるが、副鏡１５Ａの面構成が異なっている。
【００６３】
尚、本例では、１次元素子１１として１次元光変調素子（ＧＬＶ等）を用いているので、図示しない光源を必要とし、コヒーレント光源としてレーザー（半導体レーザー等）が用いられる。
【００６４】
図９は副鏡１５Ａにおける領域区分について概略的に示したものである。
【００６５】
２つの線分によって領域Ｒ１及びＲ２、Ｒ２に区分けされており、領域Ｒ１の上下両側にＲ２、Ｒ２が位置している。例えば、１次元素子１１であるＧＬＶ素子からの回折光の０次光をＯＮ光線（モノクロの場合の、白に相当する光）とし、±１次光をＯＦＦ光線（黒に相当し、遮蔽される光）として扱う場合には、副鏡１５Ａにおいて回折角に応じて分離可能な領域Ｒ１のみを反射面とし、領域Ｒ２、Ｒ２を遮蔽領域として設定すれば良い。つまり、領域Ｒ１に照射される０次光が反射され、領域Ｒ２、Ｒ２に照射される±１次光が遮蔽される。これとは逆に、１次元素子１１であるＧＬＶ素子からの±１次の反射回折光をＯＮ光線とし、０次光をＯＦＦ光線として扱う場合には、副鏡１５Ａにおいて領域Ｒ２、Ｒ２を反射面とし、領域Ｒ１を遮蔽領域として設定すれば良い。
【００６６】
このように、直接光（０次光）と回折光（±１次光）について、ＯＮ光線、ＯＦＦ光線のいずれに定義するかに応じて領域Ｒ１又はＲ２、Ｒ２のどちらかが反射面として機能するように規定してやれば良く、これによって副鏡１５Ａがシュリーレン絞りの機能を備えることになるので、構成が簡素化される（シュリーレンフィルタ等の別部材が不要となる。）。
【００６７】
図１０は、第５の実施例に係る２次元画像形成装置１Ｅについて、光学系のＸＺ断面における構成を略線的に示したものである。
【００６８】
光学系の基本構成は、前記第２の実施例１Ｂと同じであるが、走査ミラー１６の後に像面補正用の光学素子１８を配置している点で相違する。
【００６９】
本例では、光学素子１８が１枚のレンズであり、その一方の面（走査ミラー１６側の面）が円筒面とされ、ＸＺ面内で凹面、ＹＺ面内で平面とされる。また、他方の面（２次元像１７側の面）については、中心対称の非球面とされている。１次元素子１１の読取についてはＦ値８とされ、走査ミラー１６への入射角度については基準角度２２度を中心に±２．６度である。また、１次元素子１１のＹ軸方向における長さが１４（任意単位）、２次元像１７の大きさは任意単位で１４×１４の正方形である。具体的な諸元を下表１に示す。
【００７０】
【表１】
2004004256.tif 000003
【００７１】
尚、上表及び後に示す表中の座標系についてはローカルな設定としている（例えば、反射によって座標系も移り変わる。）。また、面番号等は構成面を特定するための付されたものであり、「ＯＢＪ」が物点、つまり、１次元素子１１を意味し、「Ｓ」が絞り、「ＩＭＧ」が像面（２次元像面）を意味している。そして、面の曲率半径（ＲＤＹ）について、例えば、上記したように光学素子１８において走査ミラー側の面（面番号５）では、ＹＺ面内で無限大であるが、ＸＺ面では円筒面であるため、「ＣＹＬ」と表記するとともに、ＸＺ面内での曲率半径を「ＲＤＸ」として明記している。
【００７２】
光学素子１８における２次元像側の面（面番号６）については、非球面であることを表中で「ＡＳＰ」と表記している。
【００７３】
非球面式としては、例えば、下式のようになる。
【００７４】
【数１】
2004004256.tif 000004
【００７５】
本式において、「ｚ」は、面頂点を含むＸＹ平面からのサグ量を示し、「ｈ」は面頂点を含むＸＹ平面内の光軸からの距離を示す。また、「Ｃ」は曲率（曲率半径の逆数）を、「Ｋ」は円錐定数をそれぞれ示し、非球面係数「Ｄ」、「Ｅ」、「Ｆ」、「Ｇ」、「Ｈ」については、「Ｄ」が４次、「Ｅ」が６次、「Ｆ」が８次、「Ｇ」が１０次、「Ｈ」が１２次の係数（定数）であり、「Ｑ」は２次の付加定数項の係数である。本例では、４次乃至１０次項とされ、「Ｑ＝Ｈ＝０」である。表中の、「Ｅ−ｘ」で示す指数表現は、１０の「−ｘ」乗を示す。
【００７６】
尚、上表中の面間隔については、反射により極性が逆転する。また、面の作用を示す欄において、「ＲＥＦＬ」は反射面を表し、無表記のものは透過面を表す。そして、材質欄において、「ＰＭＭＡ」はアクリル樹脂を意味する。
【００７７】
備考欄に示した、「ＸＤＥ」、「ＹＤＥ」、「ＺＤＥ」については、正鏡１４、副鏡１５の光軸からのＸＹＺの各方向における変位（シフト量）をそれぞれ表している。つまり、面番号４を付した走査ミラー１６に関して、ＸＤＥが「−５０」（任意単位）とされているので、正鏡１４、副鏡１５の光軸に対して、Ｘの負方向に５０だけ変位した位置に、走査ミラー１６の回動中心点がある。また、「ＡＤＥ」、「ＢＤＥ」、「ＣＤＥ」については、ＸＹＺの各軸を中心にした回転角度（ｄｅｇｒｅｅ）を表しており、上記したように本例では、走査ミラー１６がＹ軸回りに２２度の角度姿勢をもって所定の角度範囲（±２．６度）で回動される。
【００７８】
図１１は、第６の実施例に係る２次元画像形成装置１Ｆについて、光学系のＸＺ断面における構成を略線的に示したものである。
【００７９】
光学系の基本構成に関して、前記第５の実施例１Ｅとの相違点は、走査ミラー１６による走査角が比較的大きいこと及び像面の補正用に複数枚のレンズからなる光学素子を用いていることである。
【００８０】
走査ミラー１６による２次元像１７のＸ方向における像面湾曲を４枚の像面補正用レンズ１９乃至２２で補正している。各レンズについては、その殆どの面が円筒面であって、ＹＺ面内で平坦とされる。
【００８１】
図示ように、ＸＺ面での形状については、レンズ１９が、その両面ともに走査ミラー１６側に凹とされたメニスカス形状を有し、その次のレンズ２０は平凸に近い両凸形状（凸状のシリンドリカルレンズ）とされる。そして、次のレンズ２１は両凹形状（凹状のシリンドリカルレンズ）とされ、その後方（出射方向）に位置するレンズ２２は凹平形状とされる。尚、このレンズ２２の直後に配置された平行平板２３は、カバーガラスである。
【００８２】
本例において、１次元素子１１の読取についてはＦ値５とされ、走査ミラー１６への入射角度については基準角度２２度を中心に±４．５度である。また、１次元素子１１のＹ軸方向における長さが１４（任意単位）、２次元像１７の大きさは任意単位で１４×２４．９の長方形である。具体的な諸元を下表２に示す。
【００８３】
【表２】
2004004256.tif 000005
【００８４】
尚、走査ミラー１６の反射面（面番号４）については、前記第５の実施例１Ｅと同様に、正鏡１４、副鏡１５の光軸に対し、Ｘ方向に任意単位で５０だけ変位した位置に回動中心がある。
【００８５】
図１２は、第７の実施例に係る２次元画像形成装置１Ｇについて、光学系のＸＺ断面における構成を略線的に示したものである。
【００８６】
光学系の構成において、本例では３枚の像面補正用レンズ２４乃至２６、さらにリニアフレネル素子２７（図１３参照）を用いている。つまり、光偏向装置による走査の結果、さらに各レンズで像面補正を行った結果、２次元像１７を形成する光束についての光線角度が、１次元素子に係る配列方向に沿うＹ方向がテレセントリック性を保持しているのに対し、これに直交するＸ方向では光軸から離れる光束により像が形成されるため、リニアフレネル素子２７を用いてＸ方向について瞳位置を無限遠に合わせ、光線角度分布を揃えている。
【００８７】
レンズ２４乃至２６については、いずれも円筒レンズとして像面の湾曲（円筒状湾曲）を補正しているが、リニアフレネル素子２７における２次元像１７側の面がリニアフレネル面とされてレンズ作用を有しており、湾曲補正の方向、即ち、ＸＺ面内での光線角度について補正している。つまり、本例では、リニアフレネル素子２７のフレネル面の形状について、１次元素子１１に係る配列方向に対して直交するＸ方向及びＺ方向（光軸方向）を含む面内でパワーをもつように形成されている。これは、像面補正用レンズ群がＸＺ面におけるフィールドフラットナーとして機能することに対応して、外向き（光軸から離れる方向）に出射される光を、２次元像面に対してテレセントリックの条件にすることが、リニアフレネル素子２７に求められるためである。つまり、ＹＺ面において補正用レンズ群がパワーをもたない場合には、ＹＺ面でテレセントリックの条件が成立しており、瞳位置を合わせるには、リニアフレネル素子がＸＺ面においてパワーをもつ必要がある。
【００８８】
図１３は、リニアフレネル面の一部分（２７ａ）を示す要部の拡大図である。
【００８９】
出射光線について、像側テレセントリックな条件が得られるように補正が行われる様子を示している。
【００９０】
本例において、１次元素子１１の読取についてはＦ値４とされ、走査ミラー１６への入射角度については基準角度２２度を中心に±４．５度である。また、１次元素子１１のＹ軸方向における長さが１４（任意単位）、２次元像１７の大きさは任意単位で１４×２４．９の長方形である。具体的な諸元を下表３に示す。
【００９１】
【表３】
2004004256.tif 000006
【００９２】
尚、面番号１２における「ＬＩＮＥＡＲ　ＦＲＥＳＮＥＬ」はリニアフレネル面が形成されていることを意味し、備考欄の「ＳＡＧ　ＤＥＰＴＨ」はフレネルの溝深さ（サグ量）を示し、本例では０．１（任意単位）であって、Ｙ方向において線状（あるいはステップ状）に形成されている。リニアフレネル面に係る基本の面形状は、非球面式で表され、本例では、高次項が４次及び６次項とされる（つまり、上記［数１］式で、「Ｆ＝Ｇ＝Ｑ＝Ｈ＝０」とした場合に相当する。）。
【００９３】
面番号４を付した走査ミラー１６については、前記実施例と同様に、副鏡１５の光軸に対し、Ｘ方向に任意単位で５０変位した位置に回動中心がある。
【００９４】
本例に限らず、リニアフレネル素子のフレネル面については、１次元素子に係る配列方向に対して平行なＹ方向及びＺ方向を含む面内でのみパワーを有するように形成しても良い。つまり、像面補正用レンズ群がＸＺ面におけるフィールドフラットナーとして機能することに対応して、外向きに出射される光についてはそのままとし、ＹＺ面においてパワーをもつリニアフレネル素子によって瞳位置を合わせることにより、光線角度分布を揃えることも勿論可能である。
【００９５】
図１４は、拡大投影系を含む２次元画像形成装置の構成例について、光学系のＸＺ断面における要部構成を略線的に示したものである。
【００９６】
本例において、光源１２から２次元像１７までの構成については前記第７の実施例に係る光走査装置１Ｇとほぼ同様であり、２次元像１７を中間像として、さらに投影レンズ系２８（前記した拡大投影系５に相当する。）を用いて拡大投影を行う構成とされる。つまり、３枚構成の円筒レンズ群（２４乃至２６）による像面湾曲補正の後に、リニアフレネル素子２７により、投影レンズ系２８の中間像側瞳位置に関して、１次元素子１１に係る配列方向（Ｙ方向）と、これに直交するＸ方向（光走査方向に対応する。）とで、光線方向を一致させる（つまり、無限遠方に一致させる）補正が行われるので、投影レンズ系２８としては、２次元像１７を単に拡大する機能を有していれば良い。例えば、液晶式プロジェクタ等で用いられる、２次元表示パネル（表示デバイス）用に設計された投影レンズ系の仕様を踏襲して、そのまま適用することができる。
【００９７】
尚、前記第７の実施例１Ｇと同様、走査ミラー１６への入射角度については基準角度２２度を中心に±４．５度である。また、１次元素子１１のＹ軸方向における長さが１４（任意単位）、２次元像１７の大きさは任意単位で１４×２４．９の長方形である。
【００９８】
投影レンズ系２８を含む光学系の諸元を下表４乃至６に示す。
【００９９】
【表４】
2004004256.tif 000007
【０１００】
【表５】
2004004256.tif 000008
【０１０１】
【表６】
2004004256.tif 000009
【０１０２】
尚、表４中の面番号１１、表６中の面番号４４、４６のそれぞれの材質欄に示す「Ｎ」は屈折率を表し、「ν」はアッベ数を表す。また、投影レンズ系２８については、最終段に位置するレンズ（先玉）の頂点位置から、約３７２０ｍｍの距離をおいたスクリーン上に映像を投影することができる仕様となっている。上表中での最終面「ＩＭＧ」がスクリーン面に相当する（中間像面ではない。）。
【０１０３】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１や請求項７に係る発明によれば、１次元中間像を投影レンズによって拡大投影してから光走査を行うのではなく、拡大投影前の段階で、１次元像の光走査によって２次元像を形成しているので、拡大投影系を含む装置の小型化及び構成の簡単化、低価格化を実現することができる。また、光走査後の２次元像をそのまま拡大投影することが可能になるので、変倍率に応じて走査角度を変更する必要がなくなるとともに、投影位置の調整に起因する画像歪み等の影響を低減することができる。
【０１０４】
請求項２や請求項８に係る発明によれば、投影光学系を構成する反射面に対して、シュリーレン絞りを設定することにより、投影光学系の構成が簡素化されるので、部品点数の削減及び低コスト化を実現することができる。
【０１０５】
請求項３や請求項４、請求項９や請求項１０に係る発明によれば、光走査方向を含む面内において、２次元像に係る像面湾曲を補正することができる。
【０１０６】
請求項５や請求項６、請求項１１や請求項１２に係る発明によれば、像面湾曲補正を行う場合に発生する、非対称な視野角特性に伴う弊害を防止することができる。
【０１０７】
請求項１３や請求項１４に係る発明によれば、１次元光変調素子を用いた光走査装置や２次元画像形成装置への適用において、画質劣化等の原因を排除して高画質化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基本構成の説明図である。
【図２】図３とともにＧＬＶ素子の動作説明図であり、本図は非駆動状態を示す図である。
【図３】駆動状態を示す図である。
【図４】図５とともに、本発明に係る第１の実施例を示すものであり、本図はＸＺ面における構成を示す図である。
【図５】要部の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る第２の実施例について、ＸＺ面における構成を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施例について、ＸＺ面における構成を示す図である。
【図８】図９とともに本発明に係る第４の実施例について示すものであり、本図は要部の構成を示す斜視図である。
【図９】シュリーレン絞りの説明図である。
【図１０】本発明に係る第５の実施例について、ＸＺ面における構成を示す図である。
【図１１】本発明に係る第６の実施例について、ＸＺ面における構成を示す図である。
【図１２】本発明に係る第７の実施例について、ＸＺ面における構成を示す図である。
【図１３】リニアフレネル素子の説明図である。
【図１４】本発明に係る２次元画像形成装置（拡大投影系を含む。）の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ…２次元画像形成装置、１ａ…光走査装置、２…１次元表示素子、３…投影光学系、４…光偏向手段、５…拡大投影系、１２…光源、１８、１９〜２２、２４〜２７…光学素子
【図１】
2004004256.tif 000010
【図２】
2004004256.tif 000011
【図３】
2004004256.tif 000012
【図４】
2004004256.tif 000013
【図５】
2004004256.tif 000014
【図６】
2004004256.tif 000015
【図７】
2004004256.tif 000016
【図８】
2004004256.tif 000017
【図９】
2004004256.tif 000018
【図１０】
2004004256.tif 000019
【図１１】
2004004256.tif 000020
【図１２】
2004004256.tif 000021
【図１３】
2004004256.tif 000022
【図１４】
2004004256.tif 000023