(57)【要約】【課題】二次元走査素子の振れ角を大きくすることなく走査角度を大きくし、比較的広い画角の二次元走査を可能とする。【解決手段】光源１と、集光光学系２と、二次元走査素子３(3a1,3a2,3a3)と、投影光学系５と、１つ以上の光学面４を有して成り、二次元走査素子３により反射された光が、光学面４により１回以上反射された後、再びこの二次元走査素子３によって反射されて投影光学系５に入射される構成とする。二次元走査素子３の振れ角αに対し、走査角度を±２αとすることにより、比較的広い画角で二次元走査を行うことができる。【選択図】図１
2007310309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、二次元走査素子と、投影光学系と、１つ以上の光学面を有して成り、
前記二次元走査素子により反射された光が、前記光学面により１回以上反射した後、再び前記二次元走査素子によって反射されて前記投影光学系に入射される
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記光源に発光ダイオードが用いられる
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記光学面が、曲面ミラーである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記光学面が、屈折作用を有する光学素子に設けられて成る
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記光学面が、回折作用を有する面である
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記光学面が、収差補正機能を有する面である
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出射される光を二次元走査素子によって偏向して外部に投影する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクターやプリンターなどの投影光学系を有する光学装置において、画像情報、文字情報等の信号に対応して光源を変調するとともに、スキャナを介して画像をスクリーン等に走査照射して二次元画像を表示する方法が提案されている。このスキャナとしては従来ポリゴンミラースキャナが用いられており、この場合多角柱状ミラーをその軸中心に高速回転させることにより、高速のスキャン動作を実現している。
【０００３】
一方、より小型のスキャナとして、近年シリコンなどの半導体基板に、半導体製造技術を適用して形成した微小電気機械素子いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）として、例えば所要のパターンにエッチング等によって形成したミラー部がサスペンション機能を有する揺動軸、いわゆるトーションバー（捩り棒）で揺動可能に基板上に支持され、ミラー部とその周辺部に設けた電極対により静電力を発生させて、このミラー部を揺動運動させる静電駆動型の二次元走査素子が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
この静電駆動型の二次元走査素子は静電力で駆動され、揺動軸を回転軸とする回転によって、入射させた光の反射光路を変換することが可能であり、レーザー光のスイッチングやスキャニング作用を得ることができる。しかし、その駆動速度は、ポリゴンミラースキャナと比較してずっと低速度しか得られないものであった。
【０００４】
一方、揺動軸で揺動可能に支持したミラー部と、このミラー部の周辺に直交する二方向に平行磁場を発生させる磁場発生手段とを有し、ミラー部に設けたコイル部に電流を印加することにより電磁力を発生させて、このミラー部を揺動運動させる電磁駆動型の二次元走査素子も提案されている。この電磁駆動型の二次元走査素子は、電磁力が比較的大きいため、偏向角度と動作周波数を向上させやすいという利点がある。
このような二次元走査素子を用いて二次元画像を表示する光学装置として、例えば網膜上に二次元画像を走査して表示する網膜走査型表示装置が提案されている（例えば特許文献２参照。）。
このような微小なミラー部を揺動軸で揺動可能に基板上に支持するＭＥＭＳ型の二次元走査素子は、ポリゴンミラースキャナと比較すると格段に小型化が容易であり、光学系の小型化、構成の簡易化が可能となり、また回転体がなく発塵による不具合の発生が少なく、さらに省電力、静音、低振動、起動時間短縮などさまざまなメリットが得られる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１１３７６号公報
【特許文献２】特開２００４−１３８８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したようなＭＥＭＳ型の二次元走査素子を用いてプロジェクターやプリンター等の投影光学系を有する光学装置を構成する場合は、必要な画素分解能を得るために十分な振れ角を確保すると共に、高速な動作が必要である。
しかし、ＭＥＭＳ型の二次元走査素子の構造や製造方法に関して多くの提案があるが、その振れ角を大きくし、かつ十分に高速な動作を達成する技術については実現に至っていない。
例えば振れ角を確保できるように比較的面積の大きいミラーを高速（高周波数）で揺動しようとすると、揺動軸の剛性を高める必要があるが、この場合ミラーを十分な動作振幅で駆動できなくなる恐れがある。特に、静電駆動型の二次元走査素子においては、駆動力が比較的低いため、高速動作が難しいという問題がある。
十分な画素分解能を得るためには、スクリーン等の投影位置上で、副走査方向より高速走査が必要な主走査方向においては１０ｋＨｚ程度以上の高速動作が必要であるが、現状の二次元走査素子では、周波数は達成できても触れ角が５°〜１０°程度と不十分となっている。
【０００７】
以上の問題に鑑みて、本発明は、二次元走査素子の振れ角を大きくすることなく走査角度を大きくし、比較的広い画角の二次元走査を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明による光学装置は、光源と、二次元走査素子と、投影光学系と、１つ以上の光学面を有して成り、二次元走査素子により反射された光が、光学面により１回以上反射された後、再びこの二次元走査素子によって反射されて投影光学系に入射される構成とするものである。
このように、二次元走査素子により反射された光を一旦光学面に反射させ、再度同じ二次元走査素子に反射させて投影光学系に導く構成とすることによって、二次元走査素子の振れ角をαとしたときに、通常の光学系においては、±２αの走査角であるところを、光学面に反射させた後、再度二次元走査素子に反射させることによって、４倍の±４αの走査角とすることができる。したがって、本発明によれば、二次元走査素子の振れ角を大きくすることなく比較的大きい走査角をもって外部に光を投影することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、二次元走査素子の振れ角を大きくすることなく、走査角度のみを大きくすることができ、これにより比較的広い画角をもって二次元走査を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
〔１〕第１の実施形態例
図１に本発明の第１の実施形態例に係る光学装置の概略構成図を示す。図１に示すように、本発明の第１の実施形態例に係る光学装置１０においては、光源１と、二次元走査素子３（３ａ１、３ａ２、３ａ３）と、光学面４、投影光学系５とを備える構成とする。光源１から出射された光束は、例えばコリメート機能を有する集光光学系２において平行光束とされ、二次元走査素子３により走査されて、例えば平面型反射ミラーより成る光学面４において反射され、再び二次元走査素子３により走査されて、投影光学系５によって所望の画角をもって図示しないスクリーン等に投影される。
なお、光源１として例えば発光ダイオードを用いる場合は、この発光ダイオードを駆動する駆動電流を例えば画像信号に対応して変調することによって、スクリーン等に走査して所望の二次元画像を形成することができる。
この場合、二次元走査素子３は互いに直交する揺動軸を中心に反射面が二次元的に揺動可能とされる例えばＭＥＭＳ型の二次元走査素子を用いることができる。本実施形態例における二次元走査素子３は、図１の紙面に沿う矢印ａで示す回転方向に揺動可能とされ、またこの矢印ａで示す回転方向の揺動軸と略直交する方向を揺動軸（一点鎖線ｃ）とする矢印ｂで示す回転方向にも揺動可能とされる。図１においては矢印ａで示す方向に角度変化する様子を代表的に二次元走査素子３ａ１、３ａ２、３ａ３として示し、また反射される光束をそれぞれ一点鎖線、実線及び破線により示す。
【００１１】
通常の走査素子におけるように、この二次元走査素子に一度だけ反射して走査する場合、走査素子の振角が±αであれば、光束は±２αの角度で走査されるが、本発明によれば、図１に示すように、この二次元走査素子３に更にもう一度反射されることから、±４αの走査振れ角とした場合と同様の比較的広い画角をもって二次元走査投影を行うことができることがわかる。例えば従来５°〜１０°程度であった走査角度を１０°〜２０°程度以上とすることができる。なお、図１においては一方向の走査に対して振れ角が２倍になる様子を示しているが、他の走査方向に対しても同様に走査振れ角を倍にする効果が得られることはいうまでもない。また、光学面４に２回以上反射させ、すなわち二次元走査素子に３回以上光束を反射させることによって走査振れ角をより大きくし、更に走査角度を大とすることも可能である。
【００１２】
図２は、このようなＭＥＭＳ型の二次元走査素子３の一例の概略斜視構成図である。図２に示すように、この二次元走査素子３は、微小なミラー部２１を有し、このミラー部２１は揺動軸２２を介して揺動枠２３に支持されている。また、揺動枠２３は、揺動軸２２に対して直交する揺動軸２４を介して支持体２５に支持される。この二次元走査素子３を電磁力型のＭＥＭＳにより構成する場合は、ミラー部２１の裏面に備えられ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、揺動軸２２及び２４に沿う一点鎖線ＣＡ及びＣＢを中心にして矢印ａ及びｂで示す２方向に揺動（振動）する。そして、この揺動するミラー部２１に入射して反射した光束は、揺動軸２２及び２４を中心として２方向に走査される。
【００１３】
図３に一例としてスクリーン４０に走査投影した状態を示す。図３に示すように、主走査方向Ａに画素が順次変調して投影され、主走査方向Ａの一列が終了すると副走査方向Ｂに移動して主走査方向Ａの逆向きに画素が順次変調して投影され、以下これを繰り返すことにより二次元画像をスクリーン４０上に形成する。
【００１４】
図４においては、図１に示す本例の光学装置１０により一例としてスクリーン４０上に走査投影した状態の概略構成図を示す。図２において、図１及び図３と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例では、光源１として例えば発光対オードを用いるもので、信号制御部９から画像情報等に対応した駆動信号Ｓｍにより変調された光束が光源１から出射される。集光光学系２によって集光された光束は、二次元走査素子３によって二次元走査され、直後に設けられた光学面６、例えば平面ミラーによって反射され、再度、二次元走査素子３に反射されて走査され、比較的広い画角をもって投影光学系５によりスクリーン４０に向かって投射される。図４においては、二次元走査素子３ａ１、３ａ２、３ａ３により投影される画素がそれぞれスクリーン４０上において画素４１ａ、４１ｂ、４１ｃとして表示される様子を模式的に示す。このようにして二次元走査素子３によって２次元方向に偏向走査される光束が投影光学系５によってスクリーン４０上に結像されることにより、スクリーン４０上には光の残像効果により２次元画像が形成される。
なお、矢印Ａで示す主走査方向においては数十ｋＨｚ程度の比較的高速の揺動動作が必要であり、上述したように二次元走査素子３の主走査方向の揺動は例えば電磁駆動型のＭＥＭＳ構成とすることが望ましい。一方、矢印Ｂで示す副走査方向においては、数十Ｈｚ程度の比較的低速の揺動動作でよいので、この副走査方向の揺動は例えば静電駆動型のＭＥＭＳ構成とすることができる。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態例に係る光学装置１０によれば、二次元走査素子３の走査振れ角を従来に比して大きくすることなく走査角度を大きくすることができ、比較的広い画角をもって二次元走査することができる。
【００１６】
〔２〕第２の実施形態例
本発明の第２の実施形態例に係る光学装置の概略構成図を図５に示す。図５において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、二次元走査素子３の出射側に設ける光学面６として、曲面ミラーを用いる例で、例えば非球面ミラーを用いる例を示す。この場合、光源１から出射された光束は、二次元走査素子３によって二次元走査され、直後に設けられた非球面ミラーより成る光学面６によって反射され、再度、二次元走査素子３に反射されて走査され、投影光学系５に入射され、図示しないスクリーン等に走査投影される。
この場合、光束は非球面ミラーによって、例えば後の投影光学系５において歪みを含めた収差補正が成され易いよう例えばコリメート等の光束の形状を整える機能を有する構成としてもよい。コリメート機能をもたせることにより、図１に示す例における光源１と二次元走査素子３との間に配置した集光光学系２を不要とし、部品点数を抑え、比較的簡易な光学系の構成とすることができる。
この場合においても、通常の走査素子に一度だけ反射させる場合は走査素子の振角が±αであれば光束は±２αの角度で走査されるところを、本例によれば、光学面３に反射させた後もう一度二次元走査素子３に光束を反射させるため、±４αの走査角度を得ることができ、従来に比べて二次元走査素子３の走査振れ角を大とすることなく、走査角度を大きくし、比較的広い画角をもって二次元走査を行うことが可能となる。更にこの例においては、収差補正しやすいように光束の形状を整える効果も併せもつという利点を有している。
【００１７】
〔３〕第３の実施形態例
本発明の第３の実施形態例に係る概略構成図を図６に示す。図６において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、二次元走査素子３の出射側に設ける光学面７を、曲面プリズム等の屈折作用を有する光学素子７０内に設ける例を示す。この場合、光源１から出射された光束は、二次元走査素子３によって二次元走査され、直後に設けられた光学素子７０内に進入し、その光学面７において反射され、屈折されて光学素子７０から出射される。そして再び二次元走査素子３に反射されて走査され、投影光学系５により図示しないスクリーン等に走査投影される。
この例においては、光学素子７０の屈折作用によって、上述の第１及び第２の実施形態例よりも更に走査角度を大とすることが可能であり、より広い画角をもって二次元走査を行うことができる。またこの例においては、屈折力を有する曲面プリズム等を用いることによって、第２の実施形態例と同様に光学系の構成の簡易化を図ることができるとともに、後の投影光学系５において歪を含めた収差補正を行い易くすることも可能である。
【００１８】
〔４〕第４の実施形態例
本発明の第４の実施形態例に係る概略構成図を図７に示す。図７において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、二次元走査素子３の出射側に設ける光学面８を、回折光学素子８０の回折面とする例を示す。この場合、光源１から出射された光束は、二次元走査素子３によって二次元走査され、直後に設けられた回折光学素子８０により回折されて光学面８すなわち回折面で反射される。そして再び二次元走査素子３に反射されて走査され、投影光学系５により図示しないスクリーン等に走査投影される。
この例においても、上述の第１〜第３の実施形態例と同様に、従来に比して二次元走査素子３の振れ角を大とすることなく走査角度を大とし、比較的広い画角の二次元走査を行うことができる。またこの例においては、回折光学素子を用いてその回折角度を調整することによって、走査振れ角を更に大とすることが可能であり、また第２及び第３の実施形態例と同様に光学系の構成の簡易化を図ることができるとともに、後の投影光学系５において歪を含めた収差補正を行い易くすることができる。
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、二次元走査素子の振れ角は従来のままで、走査角度を２倍に大きくすることが可能となる。これにより、広い画角をもって二次元画像を走査投影する光学装置を提供することができる。
また、同時に光学面に収差補正の役割をもたせることも可能となるため、同性能の光学装置と比較して、小型・軽量化も期待できる。
更に、光学面として、屈折作用を有する光学素子や、回折光学素子を利用する場合は、更に走査角を大とすることも可能である。
【００２０】
なお、本発明による光学装置は、上述の実施形態例において説明した各例に限定されるものではなく、例えば光源として半導体レーザー素子やレーザアレイ素子、マトリックス発光素子等を用いるとか、またその他光学系に収差補正機能等を有する他の光学素子を配置することも可能であり、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、偏向が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態例に係る光学装置の要部の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態例に係る光学装置に用いる二次元走査素子の一例の概略構成斜視図である。
【図３】本発明の実施形態例に係る光学装置の走査方向の説明図である。
【図４】本発明の実施形態例に係る光学装置の概略構成図である。
【図５】本発明の実施形態例に係る光学装置の要部の概略構成図である。
【図６】本発明の実施形態例に係る光学装置の要部の概略構成図である。
【図７】本発明の実施形態例に係る光学装置の要部の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２２】
１．光源、２．集光光学系、３．二次元走査素子、４．光学面、５．投影光学系、６．光学面、７．光学面、８．光学面、１０．光学装置、２１．ミラー部、２２．揺動軸、２３．揺動枠、２４．揺動軸、２５．支持体、４０．スクリーン、４１．画素、７０．光学素子、８０．回折光学素子
【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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