(57)【要約】【課題】複数の画面を重ね合わせることによって一つの画面を構成する光ビーム走査型投射装置において、簡単な光学系構成で、安全規格に準拠しつつ画面の高輝度化を図ることを目的とする。【解決手段】レーザ光源から出射した光ビームを走査する光ビーム走査型投射装置において、複数の光ビームと、前記光ビームを反射しスクリーン等に投射する反射ミラーと、前記反射ミラーを駆動するミラー駆動手段と、前記複数の光ビームを異なる光軸で反射ミラーに入射し異なる投射領域に投影し、前記複数の画面によって一つの画像を表示させる画像表示装置の構成とする。さらに、前記複数光ビームに所定の相対角度をつけ、複数画面を互いにわずかにずらして重ね合わせることで一つの画面を構成することにより、安全規格に準拠しつつ画面の輝度を向上させた走査型投射装置を提供する。【選択図】図１
2013101294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源から出射した光ビームを略平行光ないし弱収束光に変換する光学手段と、
前記略平行光ないし弱収束光に変換された複数の光ビームの光軸を一致させる光学手段と、
前記光軸を一致させた光ビームを互いに略直交した２軸方向に反復偏向駆動する光学反射および
光学偏向手段と、
を少なくとも有する走査型投射装置であって、
前記光軸を一致させた光ビームを少なくとも２つ以上有し、かつ前記光軸を一致させた光ビームが互いに所定の相対角度を有することによって投影面上に複数の画面を表示する走査型投射装置において、前記複数の画面は、互いにわずかに位置をずらして表示されていることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項２】
請求項１記載の走査型投射装置であって、前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームの相対角度が、４度以上であることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項３】
請求項１、２記載の走査型投射装置であって、互いにずれて配置した前記複数画面の画面ずれ量が、画面の大きさの１／２以下であることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームが、前記光軸を一致させた光ビームを互いに略直交した２軸方向に反復して偏向駆動する光学反射および偏向手段における反射領域で略一致していることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームを所定の角度で出射させる光学素子において、複数ビームが出射する面が、互いに凸形状を形成していることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項６】
請求項１乃至４記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームを所定の角度で出射させる光学素子において、複数ビームが出射する面が、互いに凹形状を形成していることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項７】
請求項１乃至４および請求項６記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームを所定の角度で出射させる光学素子において、複数ビームが出射する面が、互いに凹形状を形成しているとともに、前記複数ビームが入射する面が互いに凸形状を形成していることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれかに記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームを所定の角度で出射させる光学素子において、同素子に入射した光ビームが複数回反射することによって、所定の角度で出射させる光学素子であることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項９】
請求項８記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームを所定の角度で出射させる光学素子において、同素子に入射する光ビームが入射端面に対してっ垂直に入射することを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１０】
請求項８乃至９記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームを所定の角度で出射させる光学素子において、同素子から出謝する光ビームが出射端面に対して垂直に出社することを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１１】
請求項８乃至１０記載の走査型投射装置であって、
前記複数光源から出射した光ビームの光軸を一致させた複数光ビームを所定の角度で出射させる光学素子において、同素子の反射面のうち少なくとも１つの反射面は、入射光ビームの一部を透過することを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１２】
走査型投射装置を備えた走査型画像表示装置であって、
請求項１乃至７のいずれかに記載の走査型投射装置と、
前記複数のレーザ光源を駆動するレーザ光源駆動回路と、
前記操作型駆動装置の偏光ミラーに対しミラー面を２次元的に反復して回転させる駆動信号を供給する走査ミラー駆動回路と、
前記レーザ光源駆動回路および走査ミラー駆動回路にＲＧＢの各信号を送信するビデオ信号処理回路と、
を備えることを特徴とする走査型画像表示装置。
【請求項１３】
請求項１記載の走査型投射装置であって、複数のＲＧＢ光源から出射する光ビームが、略平行であることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１４】
請求項１記載の走査型投射装置であって、複数のＲＧＢ光源から出射する光ビームが、略直行することを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１５】
請求項１記載の走査型投射装置であって、複数のＲＧＢ光源が、互いに対向して配置されていることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１６】
請求項１記載の走査型投射装置であって、光ビーム走査手段が、複数のＲＧＢ光源から光ビームが出射する方向と逆の位置に配置されていることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１７】
互いに独立した画像表示用光ビームを発する少なくとも２個以上の光源と、
互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する機能を備えた所定の光学反射面と、
前記各光源を発した画像表示用光ビームを共に前記光学反射面に入射させる機能を備えた光ビーム合成装置または光ビーム合成素子と、を備えた走査型投射装置および走査型画像表示装置において、
前記各光源を発し前記光ビーム合成素子により前記光学反射面に入射する各画像表示用光ビームの前記光学反射面への入射角が互いに異なる角度であることを特徴とする走査型投射装置および走査型画像表示装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の走査型投射装置および走査型画像表示装置において、前記光学反射面に入射する前記各画像表示用光ビームのうち任意の２本の画像表示用光ビームが為す相対傾き角度あるいは開き角度[β]が、少なくとも４°以上であることを特徴とする走査型投射装置および走査型画像表示装置。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載の走査型投射装置および走査型画像表示装置において、
前記光ビーム合成素子は、所定の屈折率[ｎ]を有し、かつ少なくとも１面の平滑面を備えた光学硝子もしくは光学用透明プラスチックからなり、
前記２個以上の光源のうち第１の光源を発した第１の画像表示用光ビームは、前記光ビーム合成素子の前記平滑面に対して外部から該光ビーム合成素子内部に向かう方向でかつ前記平滑面に対して下記（１）を満足する入射角[θ１]で入射するとともに、
θ１≒ＴＡＮ-1〔ｎ〕      ・・・・・（１）
第２の光源を発した第２の画像表示用光ビームは、前記光ビーム合成素子の前記平滑面に対して該光ビーム合成素子内部から素子外部に向かう方向でかつ前記平滑面に対して下記関係式（２）を満足する入射角[θ２]
θ２＞ＳＩＮ-1〔１／ｎ〕  ・・・・・（２）
で入射するように配置されていることを特徴とする走査型投射装置および走査型画像表示装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の走査型投射装置および走査型画像表示装置において、
前記第１の画像表示用光ビームは、該第１の画像表示用光ビームの中心光軸と、前記平滑面の面法線とで形成される平面に略平行な直線偏光を有する光ビームであることを特徴とする走査型投射装置および走査型画像表示装置。
【請求項２１】
請求項１９又は２０記載の走査型投射装置および走査型画像表示装置において、
前記光ビーム合成素子は、可視光線の波長に対して１．６０以上の屈折率を有する光学硝子材もしくは光学用透明プラスチック材からなることを特徴とする走査型投射装置および走査型画像表示装置。
【請求項２２】
請求項１９又は２０記載の走査型投射装置および走査型画像表示装置において、
前記光ビーム合成素子は、可視光線の波長に対して１．６０乃至１．６５の屈折率を有する光学硝子もしくは光学用透明プラスチックからなり、かつ前記第１の画像表示用光ビームの入射角[θ１]が角度範囲６０°±１０°内の所定角度に設定され、かつ前記第２の画像表示用光ビームの入射角[θ２]が角度範囲４３°±５°内の所定角度に設定されていることを特徴とする走査型投射装置および走査型画像表示装置。
【請求項２３】
請求項１７乃至２１記載の走査型投射装置および走査型画像表示装置において、
前記互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する機能を備えた所定の光学反射面は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ-ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いたＭＥＭＳミラーデバイスであることを特徴とする走査型投射装置および走査型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型投射装置および走査型画像表示装置に関し、特に所定の光ビーム偏向手段で光ビームを２次元的に走査することにより、例えば所定の投射スクリーン面上に画像を投影表示するようにした光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、所定の光源から発せられた光ビームを所定のスクリーン上に投射させ、かつ所定の偏向手段によって前記光ビームを２次元的に偏向することで前記投射スクリーン上において前記光ビームを２次元的に走査させ、その残像効果によって前記スクリーン上に２次元画像を投影表示する機能を備えた走査型投射装置または走査型画像表示装置が種々提案されている。
このような走査型画像表示装置の具体的な例としては、例えば下記特許文献１に開示された例などがある。
【０００３】
このような走査型画像表示装置においては高輝度化が課題とされているが、レーザを光ビームの光源とした場合、目の保護を目的とした安全規格の観点から目に入る光量の上限が規定されている。
例えば高輝度化を実現する手段として複数のレーザ光源を用いて複数の画面を形成することにより達成する方法があるが、この際には複数の光ビームが同時に目に入らない対策が必須となる。
この高輝度化を達成するための走査型投影装置の例として特許文献２−４では、複数の光ビームをＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）ミラーなどの偏向走査素子に相対角度をつけて入射し、複数の画面を形成し並列させることによって高輝度化と安全規格の適合化を両立させる方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７８３４６号公報
【特許文献２】ＵＳ７００２７１６号公報
【特許文献３】ＵＳ６７６２８６７号公報
【特許文献４】ＵＳ６８０３５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで特許文献１で開示される走査型画像表示装置において、前記投射スクリーン等に投影表示される画像の明るさ（輝度）を増大させるためには、例えば前記投射スクリーン上を２次元走査する画像表示用の光ビームの出力光強度を単純に増大させる手法等が簡便な手法として考えられる。
しかしながら、このように１本の画像表示用光ビームの光強度を単純に増大させる手法は、光源に出力性能などの制約により増大できる画像の明るさ（輝度）には限界があり、明るさ（輝度）を無制限に増大させることはできない。
【０００６】
また１本の画像表示用光ビームの光強度を増大させた手法は、万一その光ビームが誤って人の眼球に入射してしまった際に失明など重大な事故につながる等安全上重大な問題が生じる危険性がある。
前記公知例で開示されているような偏向走査素子に複数の光ビームを入射することによって複数の画面を形成するためには、安全規格に適合するための複数の入射光ビーム間の相対角度は、一定値以上であることが必須となる。上記特許文献２−４では、例えば４つの画面を互いにその一部を重ね合わせて約４倍の大きさの画面を構成させている。しかしながら、画面間の相対角度の増大は複数の画面間に走査歪みによる画面形状に差異を生じさせ、画面の合成が難しくなるという問題がある。また、複数の画面を一部重ねて配置しているため、輝度の向上と画面の拡大が同時に発生することになり、画面の拡大に伴う走査歪が複雑化する。
【０００７】
ここで言う走査歪みとは反射型光ビーム偏向走査素子または装置を用いて光ビームを２次元的に走査した場合、水平方向の偏向角と垂直方向の偏向角の組み合わせにより、投影スクリーン上において理想的な走査線に対して偏差が生じ、その結果スクリーン上に投射される２次元画像に大きな画像歪みが生じる現象である。
以上のような状況に鑑み、本発明では、個々の走査光ビームの光強度を増大させることなく、さらにまた上記安全上の問題も良好に回避しつつ、前記投影画像の明るさ（輝度）を良好に増大させることができる走査型投射装置および走査型画像表示装置を提供する。また、本発明では、複数の入射光ビームの相対角度を、安全規格を準拠するために必要最低限な入射相対角度を保持した走査型投射装置および走査型画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的は、特許請求の範囲に記載の発明によって達成できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、簡単な構成で安全規格を満足しつつ、かつ従来に比べて明るい画像が投射可能な走査型投射装置および走査型画像表示装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における走査型投射装置１００の構成図である。
【図２】実施例１におけるＲＧＢ(赤(Red),緑( Green) ,青(Blue)) 光源１０１の詳細図である。
【図３】実施例１におけるＲＧＢ光源３００の詳細図である。
【図４】実施例２における走査型投射装置４００の構成図である。
【図５】実施例２における光屈折素子１０３の詳細図である。
【図６】実施例４における走査型画像表示装置の構成図である。
【図７】実施例２における光屈折素子１０３の第二の実施例１０３ｂの詳細図である。
【図８】実施例２における光屈折素子１０３の第三の実施例１０３ｃの詳細図である。
【図９】実施例３における走査型画像表示装置５００の構成図である。
【図１０】実施例３における光ビーム合成素子１０８の詳細図である。
【図１１】実施例３における光ビーム合成素子１０８の第二の実施例１０８ｂの詳細図である。
【図１２】実施例３における光ビーム合成素子１０８の第三の実施例１０８ｃの詳細図である。
【図１３】実施例１、２、３におけるＲＧＢ光源３００の第二の実施例３００ｂの詳細図である。
【図１４】実施例１、２、３におけるＲＧＢ光源３００の第三の実施例３００ｃの詳細図である。
【図１５】実施例５における２ビーム合成方法の第一の変形例を示す図である。
【図１６】実施例５における２ビーム合成方法の第二の変形例を示す図である。
【図１７】実施例５における２ビーム合成方法の第三の変形例を示す図である。
【図１８】実施例５における２ビーム合成方法の第四の変形例を示す図である。
【図１９】実施例５における２ビーム合成方法の第五の変形例を示す図である。
【図２０】実施例５における２ビーム合成方法の第六の変形例を示す図である。
【図２１】実施例６における走査型投射装置の概略側面図である。
【図２２】実施例６における走査型投射装置でスクリーン上に投影表示される画像の有効範囲を示す概略正面図である。
【図２３】実施例６における走査型投射装置に用いられる光ビーム合成用光学素子の一実施例の詳細を示す概略側面図および光線図である。
【図２４】実施例６における光ビーム合成用光学素子の光学的機能および効果を説明するための線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図に示す実施例に基づいて詳細に説明するが、これによりこの本発明の光学構成が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１について図を用いて説明する。
図１は、本発明における実施例１の走査型投射装置１００の説明図である。図中点線は、ビーム光束径である。なお、光束径とは、光ビームの光強度が光軸上の光強度に対し１／ｅｘｐ（２）となる径である。
図２は、図１中のＲＧＢ光源１０１の詳細図である。ここで言うＲＧＢ光源とは赤(Red）と緑(Green)と青(Blue)の画像表示に必要な３原色を合成する光源のことである。図中点線は、光ビームの光束径を示す。
【００１３】
レーザ光源２０１は例えば５２０ｎｍ帯の緑色光ビームを出射する半導体レーザである。レーザ光源２０１から出射した緑色光ビームは、コリメータレンズ２０２にて平行光ビームないし弱収束光ビームに変換される。なお、レーザ光源２０１はいわゆる第二次高調波を使用したいわゆるSHGレーザ光源でもかまわない。
レーザ光源２０３は例えば６４０ｎｍ帯の赤色光ビームを出射する半導体レーザである。レーザ光源２０３から出射した赤色光ビームは、コリメータレンズ２０４にて平行光ビームないし弱収束光ビームに変換される。
レーザ光源２０５は例えば４５５ｎｍ帯の青色光ビームを出射する半導体レーザである。レーザ光源２０５から出射した青色光ビームは、コリメータレンズ２０６にて平行光ビームないし弱収束光ビームに変換される。
【００１４】
光合成素子２０７は、緑色光ビームを透過、赤色光ビームを反射する波長選択性ミラーである。さらに、緑色光ビームと赤色光ビームの光軸が略一致するよう調整される。
光合成素子２０８は、緑色光ビームおよび赤色光ビームを透過、青色光ビームを反射する機能がある波長選択性ミラーである。青色光ビームと緑色および赤色光ビームの光軸が略一致するよう調整される。
ＲＧＢ光源１０２はＲＧＢ光源１０１と同一構成となっている。図１においてＲＧＢ光源１０１，１０２はそれぞれが出射する光ビーム２本間の相対角度がθ0となるように配置されている。相対角度θ0の詳細については後述する。
相対角度θ0にて出射されたＲＧＢ光源１０１、１０２からの３色の光ビーム２本は全反射ミラー１０４を反射した後、走査素子１０６に入射する。
【００１５】
走査素子１０６は、偏向ミラー１０５と、偏向ミラー１０５を駆動するための駆動電極等（図示せず）で構成される。偏向ミラー１０５は、水平走査軸と垂直走査軸を有し、偏向ミラー１０５を各走査軸のまわりに偏向駆動することで光ビームをスクリーン上に２次元走査する機能がある。偏向ミラー１０５は、例えばＭｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（以下、ＭＥＭＳ）ミラーや、ガルバノミラー等を用いることで実現できる。なお、走査素子１０６は、２枚の偏向ミラーで構成され、１枚目の偏向ミラーは垂直走査軸をもち、２枚目の偏向ミラーは水平走査軸を有してもよい。
なお、３色の光ビーム２本は偏向ミラー１０５上にてそのビーム光束径を一致させることが好ましい。これは偏向ミラー１０５が高速で駆動する性質上、その駆動部分である偏向ミラー表面で３色の光ビーム２本が反射する面積をできるだけ小さくする必要があるためである。また、走査素子１０６が２枚の偏向ミラーで構成されている場合は、２枚のうち偏向ミラーの反射有効範囲が狭いミラーにて、２本のビーム光束径を一致させた方がよい。
【００１６】
相対角度θ0は、３色の光ビーム２本を偏向ミラー１０５上に一致させる角度に設定する。もちろん、走査素子１０６が２枚の偏向ミラーで構成されている場合は、２枚のうち偏向ミラーの反射有効範囲が狭いミラーに、２本のビームが一致するような角度に設定することは言うまでもない。
走査素子１０６を通過した３色の光ビーム２本は、走査型投射装置１００の外部との境界面に設けた透明カバー１０７に入射する。透明カバー１０７は、３色の光ビームの透過率が十分に高い透明なガラスまたはプラスチックのカバー想定しており、走査型投射装置１００内に入り込む粉塵等による、光学部品の透過率の劣化や走査素子１０６の故障などを防ぐことが可能となる。
【００１７】
透明カバー１０７を通過した３色の光ビーム２本は、外部に設置されているスクリーン上にそれぞれ１個ずつ光スポット１１０、１１１を形成する。このときの２本の光ビームの相対角度はθ１である。本実施例では、相対角度θ0と相対角度θ1は一致する。しかしながら、ＲＧＢ光源１０１、１０２から透明カバー１０７に至る光路中に屈折あるいは回折による光学素子が挿入などが配置された場合、必ずしも相対角度θ0と相対角度θ1は一致しなくても良い。いずれにしても、相対角度θ1は相対角度θ0の関数であり、相対角度θ1は相対角度θ0を設定することにより決定される角度である
相対角度θ1と２つの画面１１２と１１３の画面の走査歪みの差異は相関があるため、２つの画面の結合を考慮した場合、相対角度θ1はできるだけ最小にするのが好ましく、本発明では目の安全規格を準拠する必要最低限な角度を相対角度θ1としている。相対角度θ1の詳細については後述する。
ここで言う走査歪みとは反射型光ビーム偏向走査素子または装置を用いて光ビームを２次元的に走査した場合、水平方向の偏向角と垂直方向の偏向角の組み合わせにより、投影スクリーン上において理想的な走査線に対して偏差が生じ、その結果スクリーン上に投射される２次元画像に大きな画像歪みが生じる現象である。
【００１８】
スクリーン上に形成された２つの光スポット１１０，１１１は、走査素子１０６によって水平方向と垂直方向に走査されそれぞれの画面を形成する。形成された２つの画面１１２と１１３が重なった部分では、通常の画面の２倍程度の明るさを実現可能である。
相対角度θ1は、目の安全規格を準拠する必要最低限な角度と前述したが、以下で詳細を説明する。日本工業規格「レーザ製品の放射安全基準（JIS C6802-2005）」でレーザ光出力をクラス規定しており、日本における「消費生活用製品安全法」の規格で一般に販売するにはクラス２以下でなくてはならない。
クラス判定のためのレーザ測定条件は、レーザ走査型機器の場合、光源から100mm離れた位置で人間の瞳に相当する７mm径の領域に照射される光エネルギーが所定の値以下であることと規定されている。例えば、２本の光ビームを考えた場合、７mm径の領域に同時に２本の光ビームが入射しない条件は、２本の光ビームの相対角度がおよそ４度以上となっていればよい。発明ではこの相対角度をθ1としている。各種光学素子、２本のビームの設定精度等を考慮すると、相対角度をθ1は約５度以上であることが好ましい。
【００１９】
一方、相対角度をθ1が大きくなると、図１の斜線で示した画像の重なり部分が減少する。画面の明るさが増大するのは画像の重なり部分であるため、できるだけ、明るさの大きな画像領域を得るためには、上記相対角度として、複数の画面がお互いに１／２以上重なる角度に設定することが好ましい。複数の画面がお互いに１／２以上重なる角度は、偏向ミラー１０５の走査角度、スクリーン上の画像サイズ等によって異なる。
本実施例の走査型投射装置１００は、少なくともレーザ光源２０１とコリメータレンズ２０２、レーザ光源２０３とコリメータレンズ２０４、レーザ光源２０５とコリメータレンズ２０６、光合成素子２０７、２０８、走査素子１０６、透明カバー１０７にて構成されていればよく、途中に回折格子や波長板などの光学素子の追加や、例えば全反射ミラー１０４のように光路を折り曲げた構成であっても良い。また、透明カバー１０７と走査素子１０６の間の光路に走査素子１０６の走査角度を変換する機能を持つ光学素子等を追加しても構わない。
【００２０】
なお、本実施例では、緑色、赤色、青色の３色の光ビームは、波長選択性ミラーである光合成素子２０７および２０８により光軸が合成される。しかしながら、本実施例のような走査型投射装置においては、３色の光ビームが合成する構成であればよく、２個の波長選択性ミラーの代わりに２個の波長選択性プリズムを用いる構成であってもよい。また、緑色、赤色、青色のレーザ光源の配置が異なってもよい。さらに、液晶プロジェクタ等で一般的に用いられる１個の波長選択性クロスプリズムを用いてもよい。
また、３個のコリメータレンズ２０２、２０４、２０６を想定しているが、１個のマイクロレンズアレイで構成してもよい。
さらに、緑色、赤色、青色光ビームを出射するレーザ光源は別々のパッケージ内にあると想定しているが、同一パッケージ内にあっても構わない。
【００２１】
本実施例は、３個のコリメータレンズを用いて、３色の光ビームを平行光に変換後、２個の光合成素子を用いて３色の光ビームを合成する構成であるが、図３に示す走査型投射装置３００のように、光合成素子３０１によって３色の光ビームを合成後、１個のコリメータレンズ３０２で平行光に変換する構成としてもよい。
図１３は、図３に示す走査型投射装置３００に関する他の実施例である。走査型投射装置３００ｂ、コリメータレンズ３０２以外に、各レーザ光源２０１、２０３、２０５に対してそれぞれコリメータレンズ３０３、３０４、３０５を配置している。この構成により、レーザ光源からコリメータレンズ３０２に至る開口数（NA）を同じにしたまま、レーザ光源２０１、２０２、２０３とコリメータレンズ３０２の間隔を広げることができる。結果として、レーザ光源２０１、２０２、２０３からコリメータレンズ３０２に至る系の光利用率を低下させずに、レーザ光源２０１、２０２、２０３とコリメータレンズ３０２の間隔を広げることができ、光合成素子３０１の配置自由度を拡大できるという効果がある。
【００２２】
図１４は、光合成素子として、液晶プロジェクタ等で一般的に用いられる１個の波長選択性クロスプリズム３０１ｂを用いた実施例である。この場合も、複数のコリメータを使用して略平行光を得るため、レーザ光源とコリメータレンズ３０２の間隔を広げることができ、クロスプリズム３０１ｂの大きさや配置自由度が拡大するという効果がある。なお、レーザ光源２０１（緑色光）、２０３（赤色光）、２０５（青色光）の位置関係について図１４は一例を示しており、これに限定されるものではない。
以上のように、本実施例の走査型投射装置１００は、３色の光ビーム２本の光ビームに必要最低限の相対角度をつけて２画面を構成することにより、安全規格を準拠しつつ、かつ従来の２倍程度の画面の高輝度を比較的容易な構成で実現することができる。
【実施例２】
【００２３】
続いて、本発明の実施例２について図を用いて説明する。
図４は、実施例２における走査型投射装置４００の説明図である。
走査型投射装置４００は、実施例１における走査型投射装置１００に光屈折素子１０３を追加したものである。
その他の光学部品は走査型投射装置１００と同じものであり、同じ番号を付加する。また、詳細な説明を省略する。ＲＧＢ光源１０１、１０２にて、それぞれ合成された３色の光ビーム２本は、光屈折素子１０３に入射する。光屈折素子１０３はＲＧＢ光源１０１、１０２からの光ビームを光の屈折の原理により、任意の角度に曲げることが出来る素子である。光屈折素子１０３によりＲＧＢ光源１０１、１０２からの光ビームは相対角度θ0にて出射可能である。
【００２４】
図５を用いて光屈折素子１０３の詳細を説明する。図中一点差線は、光ビームの光軸を示し、点線は光ビームの光束径を示す。光ビームの進行方向は紙面下から上となる。光屈折素子１０３は、紙面と水平な方向については、光ビームの進行方向に対し、入射面側が垂直面、出射面側が傾斜面になっている。光ビームが光屈折素子１０３に入射するとき、入射面側が光ビームに対し垂直であるため、そのまま直進する。しかし、光ビームが光屈折素子１０３を出射するとき、出射面側が光ビームに対し傾斜面であるため、光ビームは屈折する。２つのビームを異なる角度の傾斜面から出射させた場合、その角度を管理することにより２つのビーム間の相対角度を制御出来る。
【００２５】
以下、走査型投射装置１００における光屈折素子１０３により発生させる屈折角度θ0の計算方法について説明する。光屈折素子１０３の屈折率を屈折率ｎとする。図中一点差線で示す光屈折素子の出射面の法線と出射面に入射する光ビームとの角度を角度θα、出射面から出射する光ビームとの角度を角度θβとする。
スネルの法則より、数式１，２の関係がよく知られている。
【００２６】
【数１】
2013101294.tif 000003
【００２７】
【数２】
2013101294.tif 000004
【００２８】
数式１、数式２より、θα1, θα2を設定することによりθβ1、θβ2は計算される。また図５より光屈折素子１０３による屈折角度θ0は次式で示される。
【００２９】
【数３】
2013101294.tif 000005
【００３０】
ところでθα1、θα2は図３光屈折素子１０３の出射面の傾斜角と一致する。
以上より、光屈折素子１０３の出射面の傾斜角θα1、θα2を設定することにより、屈折角度θ0は任意に設定できる。光屈折素子１０３を適用することにより、より高精度かつ環境変化に対して高信頼性を併せ持つ光学系を構成できる。
【００３１】
なお、光屈折素子１０３の形状は、入射面が光ビームに対して垂直、出射面が光ビームに対して斜面となっているものを想定しているが、そのような形状のプリズムに限定されるものではなく、例えば、入射面および出射面が共に光ビームに対して斜面となっていてもなんら構わない。また、光屈折素子１０３はプリズムの色収差によって、緑色、赤色、青色光ビームでそれぞれ屈折角度が異なるため、ビーム縮小整形プリズムを出射した３色の光ビームの角度がそれぞれ異なる。この場合、ビーム縮小整形プリズムを出射した３色の光ビームの角度が一致するよう、光合成素子２０７、２０８の角度あるいは各レーザ光源及びコリメータレンズの位置を調整すればよい。
【００３２】
図７は、走査型投射装置１００における光屈折素子の第二の実施例１０３ｂを示している。図中一点差線は、光ビームの光軸を示し、点線は光ビームの光束径を示す。光ビームの進行方向は紙面下から上となる。
光屈折素子１０３ｂは、紙面と水平な方向については、光ビームの進行方向に対し、入射面側が垂直面、出射面側が傾斜面になっているが、その傾斜面は、１０３が凸形状になっているのに対して１０３ｂは凹形状となっている。このような構成をとることにより、図に示すようにＲＧＢ光源１０１と１０２の間隔をより広がることができる。そのため、ＲＧＢ光源１０１および１０２の配置に関する自由度が増加する。
【００３３】
図８は、走査型投射装置１００における光屈折素子の第三の実施例１０３ｃを示している。図中一点差線は、光ビームの光軸を示し、点線は光ビームの光束径を示す。光ビームの進行方向は紙面下から上となる。
光屈折素子１０３ｃは、紙面と水平な方向については、光ビームの進行方向に対し、同素子への光ビーム入射面側が凸形状になっているとともに出射面側が凹形状となっている。このような構成をとることにより、図に示すようにＲＧＢ光源１０１と１０２からの光ビームを平行にして光屈折素子に入射させることができる。したがって、ＲＧＢ光源１０１および１０２の配置に関する自由度が増加するとともに、両ＲＧＢ光源から出射する光ビームを平行に配置できるため、ＲＧＢ光源全体を小型化できるという効果がある。
なお、以上の実施例においては、合成する光ビームが２本の場合を説明しているが、３本あるいは４本であってもかまわない。その場合、光屈折素子１０３、１０３ｂ、１０３ｃは３つあるいは４つの光ビーム出射面により凸形状あるいは凹形状が構成される。
【実施例３】
【００３４】
続いて、本発明の実施例３について図を用いて説明する。
【００３５】
図９は、実施例３における走査型投射装置５００の説明図である。
【００３６】
走査型投射装置５００は、実施例１における走査型投射装置１００に光合成素子１０８を追加したものである。
【００３７】
その他の光学部品は走査型投射装置１００と同じものであり、同じ番号を付加する。また、詳細な説明を省略する。ＲＧＢ光源１０１、１０２にて、それぞれ合成された３色の光ビーム２本は、光合成素子１０８に入射する。
【００３８】
ここで、光合成素子１０８の詳細について、図１０を用いて説明する。光合成素子１０８は、台形形状の光学素子であり、ＲＧＢ光源１０１および１０２からの光ビームが、図に示すようにほぼ垂直に入射する。ＲＧＢ光源１０１からの光ビームは、全反射面１０８１および１０８２で反射して光合成素子１０８から出射する。一方、ＲＧＢ光源１０２からの光ビームは、全反射面１０８３および１０８４で反射して光合成素子１０８から出射する。１０８１面と１０８２面、および１０８３面と１０８４面を非平行とすることにより、光合成素子１０８から出射した光ビームの相対角度を所定の角度θ０に設定することができる。
【００３９】
なお、図１０の実施例では、レーザ光源１０１および１０２から出射した光の光軸は平行になるように設定している。また、図中点線で示したように、１０８１面および１０８４面を全反射とせず、一部の光を透過させ、その先にフロントモニター６０７aおよび６０７ｂ配置すれば、各レーザ光源から出射した光ビームの強度を検出することも可能である。
【００４０】
図１１は、光合成素子１０８の他の実施形態である。光合成素子１０８ｂにおいて、レーザ光源１０１および１０２から入射する光ビームは、光合成素子１０８ｂに対して垂直に入射するが、同素子から出射する際も、端面から垂直に出射するように各反射面の角度を設定する。光合成素子１０８は例えばガラス等の光学材料で作製するが、同材料から空気中に光ビームが出射する際、出射端面に対して傾斜して出射すると、波長による材料の屈折率差の影響で、赤色緑色青色の各ビームの出射角がわずかにずれることになる。端面から垂直に光ビームを出射させる構成は、上記のいわゆる「色ずれ」を低減できるという効果がある。もちろん、図１１の構成であっても、図１０のようなフロントモニター６０７aおよび６０７ｂ配置すれば、各レーザ光源から出射した光ビームの強度を検出することも可能である。
【００４１】
図１２は、光合成素子１０８のさらに別の実施形態である。光合成素子１０８ｃにおいて、レーザ光源１０１および１０２から入射する光ビームは、光合成素子１０８ｃに対して垂直に入射するが、両光軸は非平行に設定する。一方、光合成素子１０８ｃの反射面１０８１面と１０８２面、および１０８３面と１０８４面は平行に設定する。また、光合成素子１０８ｃから出射する光ビームは素子端面から垂直に出射するように設定する。この構成の場合、図１１で説明したいわゆる「色ずれ」低減の効果に加えて、反射面が平行であるために素子自体を加工し易いという効果がある。もちろん、図１１の構成であっても、図１０のようなフロントモニター６０７aおよび６０７ｂ配置すれば、各レーザ光源から出射した光ビームの強度を検出することも可能である。
【実施例４】
【００４２】
図６は、本発明による走査型画像表示装置への実施例を示す全体構成図である。
走査型投射装置１００は、ＲＧＢの３色のレーザ光源２０１，２０３，２０５と、各レーザ光源から発せられた光ビームを合成する光合成部と、合成した光ビームをスクリーン１１２，１１３へ投射する投射部と、投射する光ビームをスクリーン１１２，１１３上で２次元的に走査する走査部とを有する。
表示する画像信号は、電源等を含む制御回路６０２を経由してビデオ信号処理回路６０３に入力する。ビデオ信号処理回路６０３では画像信号に対し各種の処理を施すとともに、ＲＧＢの３色信号に分離しレーザ光源駆動回路６０４に送る。レーザ光源駆動回路６０４では、ＲＧＢの各信号の輝度値に応じて、走査型投射装置１００内の対応するレーザ光源２０１，２０３，２０５に対して発光用の駆動電流を供給する。その結果レーザ光源２０１，２０３，２０５は、表示タイミングに合わせてＲＧＢ信号の輝度値に応じた強度の光ビームを出射する。
【００４３】
またビデオ信号処理回路６０３は、画像信号から同期信号を抽出して走査ミラー駆動回路６０５に送る。走査ミラー駆動回路６０５は、水平・垂直同期信号に合わせて走査型投射装置１００内の偏向ミラー１０５に対しミラー面を２次元的に反復回転させる駆動信号を供給する。これにより偏向ミラー１０５は、ミラー面を所定の角度だけ周期的に反復回転して光ビームを反射させ、スクリーン１１２，１１３上に水平方向および垂直方向に光ビームを走査して画像を表示する。
フロントモニター信号検出回路６０６は、走査型投射装置１００内のフロントモニター６０７からの信号を入力して、レーザ光源２０１，２０３，２０５から出射されるＲＧＢそれぞれの出力レベルを検出する。検出された出力レベルは、ビデオ信号処理回路６０３に入力され、所定の出力になるようレーザ光源２０１，２０３，２０５の出力が制御される。
【実施例５】
【００４４】
実施例５では、先の実施例１における２ビーム合成方法の変形例を６例示す。
図１５は実施例１における２ビーム合成方法の第一の変形例である。
ＲＧＢ光源１０１および１０２から出射する光ビームは、略平行である。ＲＧＢ光源１０２から出射した光ビームは、ミラー１５０１によって光路を曲げられ、ＲＧＢ光源１０１から出射した光ビームと所定の相対角度θ0を有する光ビームとなって偏光ミラー１０５に入射する。ＲＧＢ光源１０１および１０２から出射する光ビームが略平行であるため、両光源の組立て調整が容易となるという特徴がある。
【００４５】
図１６は実施例１における２ビーム合成方法の第二の変形例である。
ＲＧＢ光源１０１および１０２から出射する光ビームは、略平行である。ＲＧＢ光源１０２から出射した光ビームは、プリズム１６０１によって光路を曲げられ、ＲＧＢ光源１０１から出射した光ビームと所定の相対角度θ0を有する光ビームとなって偏光ミラー１０５に入射する。この構成の場合も、ＲＧＢ光源１０１および１０２から出射する光ビームが略平行であるため、両光源の組立て調整が容易となるという特徴がある。
【００４６】
図１７は実施例１における２ビーム合成方法の第三の変形例である。
ＲＧＢ光源１０１および１０２から出射する光ビームは、略直行に交差する。さらに、ＲＧＢ光源１０２から出射した光ビームは、ミラー１７０１によって光路を曲げられ、ＲＧＢ光源１０１から出射した光ビームと所定の相対角度θ0を有する光ビームとなって偏光ミラー１０５に入射する。この構成の場合、全体形状を小型化することが可能となる。また、ＲＧＢ光源１０１と１０２の位置を離すことができるため、組立て設備の構成および配置に自由度が増すという特徴もある。
【００４７】
図１８は実施例１における２ビーム合成方法の第四の変形例である。
ＲＧＢ光源１０１および１０２は互いに対向配置され、両光源から出射する光ビームは、三角ミラー１８０１で反射して、所定の相対角度θ0を有する光ビームとなって偏光ミラー１０５に入射する。この構成の場合、全体形状を小型化することが可能となる。また、ＲＧＢ光源１０１と１０２の位置を離すことができるため、組立て設備の構成および配置に自由度が増すという特徴もある。
【００４８】
図１９は実施例１における２ビーム合成方法の第五の変形例である。
ＲＧＢ光源１０１および１０２から出射する光ビームは、三角ミラー１９０１でＲＧＢ光源方向に反射し、所定の相対角度θ0を有する光ビームとなって偏光ミラー１０５に入射する。三角ミラー１９０１の頂角αを変化させることによって、ＲＧＢ光源１０１と１０２の配置位置を変化させることができる。そのため、この構成の場合、全体形状を小型化することが可能になるとともに、組立て設備の構成および配置に自由度が増すという特徴もある。
【００４９】
図２０は実施例１における２ビーム合成方法の第六の変形例である。
偏光ビームスプリッタ２００１に反射面２００２に対して、ＲＧＢ光源１０１の出射光はＳ偏光、ＲＧＢ光源１０２の出射光はＰ偏光に設定する。ＲＧＢ光源１０１および１０２から出射した光ビームに所定の相対角度θ0を持たせるためには、偏光ビームスプリッタＦ０１に入射する光ビームの入射角度あるいは反射面２００２と入射ビームの相対角度を所望の値に設定することによって達成できる。この構成の場合、全体形状を小型化することが可能になるという特徴がある。
【実施例６】
【００５０】
図２１は本発明における走査型投射装置および走査型画像表示装置に関する一実施例を示した概略側面図である。本実施例における走査型投射装置は、実施例１乃至実施例３と同様に、それぞれ独立した画像表示用の光ビームを生成、出射する光源ユニット１０１および１０２と、この光ビームを２次元に偏向走査する偏向ミラー装置２１０１と、前記光源ユニット１０１、１０２の各々から出射した画像表示用光ビーム２１０４および２１０５を合成して共に前記偏向ミラー装置２１０１内の反射ミラーに入射させる機能を備えた光ビーム合成素子２１０３を主要光学部品として構成されている。なお、ＲＧＢ光源である光源ユニット１０１および１０２は、先に図２で示した光源ユニットと同様で良いので、図２１では煩雑化を防ぐため、各構成要素の符号を省略している。
【００５１】
まず初めに、光源ユニット１０１および１０２内部の概略構成について説明する。光源ユニット１０１内には、互いに波長が異なる３個のレーザ光源２０１，２０３および２０５が配置されている。２０１は例えば波長５２０ｎｍ帯の緑色レーザ光を出射する半導体レーザ光源である。この半導体レーザ光源２０１を出射した緑色光ビームは、コリメータレンズ２０２にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー２０７に入射する。２０３は例えば波長６４０ｎｍ帯の赤色レーザ光を出射する半導体レーザ光源である。この半導体レーザ光源２０３を出射した赤色光ビームも、前記の半導体レーザ光源２０１から出射した緑色光ビームと同様、コリメータレンズ２０４にて略平行な光ビームに変換されたのち光合成素子である平板ミラー２０７に入射する。
【００５２】
平板ミラー２０７は、前記半導体レーザ光源２０１から出射した緑色光ビームを所定の透過率で透過させ、かつ前記半導体レーザ光源２０３から出射した赤色光ビームを所定の反射率で反射する機能を備えた第１の波長選択性ミラーであり、この平板ミラー２０７を透過または反射した前記各光ビームは、略同一の光路を進行して光合成素子である平板ミラー２０８に入射する。一方、２０５は例えば波長４４０ｎｍ帯の青色レーザ光を出射する半導体レーザ光源である。この半導体レーザ光源２０５を出射した青色光ビームは、コリメータレンズ２０６にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー２０８に入射する。
平板ミラー２０８は、前記の緑色光ビームおよび赤色光ビームを所定の透過率で透過させ、前記青色光ビームを所定の反射率で反射する機能を備えた第２の波長選択性ミラーである。
【００５３】
そして、この第２の波長選択性ミラー２０８をそれぞれ透過あるいは反射した前記緑色、赤色および青色の各光ビームは、各々の光束断面が互いに重なり合って略１本の光ビームとなるよう各光軸の傾きと位置が厳密に調整された状態で前記光源ユニット１０１を出射し、画像表示用光ビーム２１０４として進行する。
また光源ユニット１０２も本実施例においては、前記光源ユニット１０１と全く同様の部品構成で前記光源ユニット１０１を出射した画像表示用光ビーム２１０４と全く同様の画像表示用光ビーム２１０５を出射するようになっている。したがって図２１においては、光源ユニット１０２の内部部品構成図は省略している。
【００５４】
ただしこの光源ユニット１０１，１０２については、当然の事ながら前記の構成に限定されるものではなく、例えば緑、赤、青の各光源としてＬＥＤ光源など半導体レーザ光源以外の光源を用いた光源ユニットでも一向に構わない。
更にいうならば、偏向走査により画像を投射表示するための光ビームを出射する機能を備えた光源ユニットならばどのような構成であっても構わない。また光源ユニット１０１と１０２でその内部部品構成が互いに異なっていても一向に構わない。
次に、前記光源ユニット１０１および１０２の各々から出射した画像表示用光ビーム２１０４および２１０５は、図２１に示すように各々別方向から光ビーム合成素子２１０３に達する。
【００５５】
まず、光源ユニット１０１から出射した画像表示用光ビーム２１０４は、図のように光ビーム合成素子２１０３の所定の平滑面に入射し、この面を透過して光ビーム合成素子２１０３の内部を進行する。
一方、光源ユニット１０２から出射した画像表示用光ビーム２１０５は、前記光ビーム２１０４とは別方向から同じく光ビーム合成素子２１０３内に入射し、素子２１０３内を進行したのち、光ビーム２１０４が入射した前記平滑面と同一の面に、光ビーム２１０４とは逆に素子２１０３の内部から外部に向かう向きに入射する。
【００５６】
そしてこの平滑面を反射することで前記の光ビーム２１０４の光路方向とほぼ同じ光路方向に偏向され、それぞれ光ビーム２１０６および２１０７となって共にこの光ビーム合成素子２１０３を出射する。
なお、この光ビーム合成素子２１０３は本発明の主要部である。したがってその構造、機能等の詳細については後程改めて説明するので、ここでは詳細な説明は省略する。
次に、光ビーム合成素子２１０３を出射した光ビーム２１０６および２１０７は、共に光ビーム走査用の偏向ミラー装置２１０１に入射する。この時光ビーム２１０６と２１０７は、図中に示すように、垂直方向（図中のＺ軸方向）すなわち紙面内上下方向に関して所定の微小な相対傾角（開き角）βをもって偏向ミラー装置２１０１内の反射ミラー面に入射するように設定されている。
【００５７】
ところで前記光ビーム走査用偏向ミラー装置２１０１は、所謂２軸１面型偏向ミラー装置と称される装置で、該装置内に配置された所定の反射ミラーに入射した光ビーム２１０６および２１０７を反射させて、その反射光ビーム２１０８および２１０９を該偏向ミラー装置２１０１から所定距離離れた投射スクリーン２１０２上に投射するとともに、該反射ミラー面自体が、例えば紙面に略垂直すなわち図中のＹ軸に略平行な回転軸および紙面に平行な図中のＺ軸に略平行な回転軸の回りに、それぞれ所定角度だけ周期的な反復偏向駆動を高速に行う機能を備えている。
そしてこの反射ミラーの高速反復偏向駆動により、投射スクリーン２１０２上に投射された反射光ビーム２１０８および２１０９は、前記投射スクリーン２１０２面上において水平方向（図中のＹ軸方向）および垂直方向（図中のＺ軸方向）の２次元に高速反復走査される。
【００５８】
この際、投射スクリーン２１０２上を反復走査する反射光ビーム２１０８および２１０９の各瞬時照射位置に同期して、前記各光源ユニット１０１および１０２内の光源２０１、２０３および２０５の光出力をそれぞれに独立に変調させることで、人間の眼の残像現象を利用した２次元カラー画像を投射スクリーン２１０２上に表示する。
なお、従来の走査型投射装置あるいは走査型画像表示装置では、投射スクリーン上に投射される画像表示用光ビームは通常１本のみである。本実施例のように２本以上の画像表示用光ビームを投射スクリーン上に投射するような構成は、本発明の一つの主要な特徴である。
なお上記のような光ビーム走査用偏向ミラー装置２１０１におけるミラー駆動部の構成例としては、例えばＭｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（略称ＭＥＭＳ）や、電磁駆動のガルバノミラー等があるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、またこれら偏向ミラー装置駆動部の具体的な構成については本発明とは直接には関係しないので、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
また当然の事ながら、本発明に用いられる光ビーム走査用の偏向ミラー装置は前記した２軸１面型の偏向ミラー装置に限定されるものではなく、例えばそれぞれ互いに略垂直な１つの回転軸の回りに高速反復偏向駆動する独立した２面の偏向ミラーを備え、入射した光ビームを該２面の偏向ミラーに順次反射させる構成の所謂１軸２面型の偏向ミラー装置等、光ビームを２次元に高速走査できる機能を備えた装置であればどのような装置でも一向に構わない。
ところで前記したように、画像表示用光ビーム２１０６および２１０７は、所定の微小相対傾角（開き角）βをもって偏向ミラー装置２１０１内の反射ミラーに入射している。このため図２１の実施例のように偏向ミラー装置２１０１と投射スクリーン２１０２との間の光路中に特に特殊な光学部品または光学素子が配置されていない場合は、前記反射ミラーを反射しかつ２次元方向に高速反復走査される光ビーム２１０８および２１０９も常に角度βの相対傾角（開き角）を保持したまま投射スクリーン２１０２上を高速反復走査することになる。
【００６０】
その結果、例えば図２１中に示すように、光ビーム２１０６の反射光ビーム２１０８が投射スクリーン２１０２上の任意の点Ｏ１上を通過する瞬間、光ビーム２１０７の反射光ビーム２１０９は、同じく投射スクリーン２１０２上で垂直方向すなわち図のＺ軸方向に距離δだけ乖離した位置にある点Ｏ２上を通過する。そしてこの乖離量δは、偏向ミラー装置２１０１と投射スクリーン２１０２間の距離Ｌが投射スクリーン２１０２上に投射表示される画像の大きさより十分大きい場合、以下の式で表すことができる。
δ ≒ Ｌ・ｔａｎ［β］    ・・・・・（数式４）
図２２は、図２１に示したような走査型投射装置を用いた走査型画像表示装置によって投射スクリーン２１０２上に投影表示された画面の大きさと位置関係を示す概略正面図である。
今、図２１に示した画像表示用光ビーム２１０８が投射スクリーン２１０２上を高速反復走査することにより表示される略長方形の画像表示エリア２１０２１を図２２中において１点鎖線で表し、同じく画像表示用光ビーム２１０９が投射スクリーン２１０２上を高速反復走査することにより表示される同じく略長方形の画像表示エリア２１０２２を図２２中において点線で表すものとする。
この時、画像表示エリア２１０２１と２１０２２は、前記（数式４）で表される乖離量δだけ垂直方向すなわち図のＺ軸方向に乖離した位置に表示される。
【００６１】
今、図中に示すように画像表示エリア２１０２１と２１０２２の垂直方向（Ｚ軸方向）の画面高さを共にＨで表すと、乖離量δがＨに比べ微小量である場合、表示エリア２１０２１と２１０２２の中間位置に画像表示エリア２１０２１と２１０２２が重畳した画面高さＨ−δに相当する２画像重畳エリア２１０２３が生じる。
この２画像重畳エリア２１０２３では、光ビーム２１０８によって表示された画像と光ビーム２１０９によって表示された画像が互いに重畳されることになる。したがってこの重畳される２画像を全く同じ画像、同じ輝度にて表示すれば、前記２画像重畳エリア２１０２３では表示画像の輝度が倍加されることになる。
ただし前記したように、画像表示エリア２１０２１と２１０２２は乖離量δだけ垂直方向すなわち図のＺ軸方向に乖離しているため、当然のことながら、各々の画像表示エリア内で表示される画像もδだけ相対的に乖離して表示される。
【００６２】
したがって、２画像重畳エリア２１０２３においてそれぞれの画像を完全に一致させて重畳することで輝度を倍加させるためには、重畳する２画像を相対的に垂直方向すなわち図のＺ軸方向に−δだけシフトさせて表示しなければならない。
ところで、この２画像重畳エリア２１０２３の大きさ、すなわちその画面高さは、前記したようにＨ−δで表される。したがって乖離量δを小さくすればするほど２画像重畳エリア２１０２３を大きく確保することができ有利である。さらに云えば、δ＝０ならば完全に元の画像表示エリア２１０２１、２１０２２と同じ画面高さＨの２画像重畳エリア２１０２３を確保することができる。
【００６３】
しかしながら、このように乖離量δを際限なく小さくすることは、光学装置における安全上の重大問題が生じる危険性がある。
例えば、画像表示中に人が誤って投射スクリーン２１０２側から高速反復走査されている画像表示用光ビーム２１０８および２１０９を覗き込んでしまった場合、２ビームの乖離量δが所定量より小さい場合、２本の前記光ビームが同時に人の眼球内に突入し網膜上に入射してしまう可能性が生じる。
もしこのような事故が起こると、当然のことながら網膜上に照射された光ビームのエネルギー（強度）は、各々の光ビームが１本当たりのエネルギーの倍のエネルギーになってしまう。したがって各光ビーム１本当たりの光エネルギー（強度）がレーザ安全上の安全基準値以下であったとしても、倍加された光エネルギー（強度）が安全基準値を超えてしまい、網膜を傷つけ最悪の場合は失明させてしまうような重大な事故に繋がる危険性が生じる。
【００６４】
したがって、少なくとも人が誤って光ビームを覗き込んでしまった場合でも、同時に２本以上の光ビームが眼球内に突入することがないようにすることが必須である。
今、仮に偏向ミラー装置２１０１から１０ｃｍ（＝１００ｍｍ）離れた位置から人が誤って画像表示用光ビーム２１０８および２１０９を覗き込んだ場合を想定する。例えば光ビーム２１０８および２１０９の相対傾角βを４°に設定すると、前記（数式４）でＬ＝１００ｍｍ、β＝４°を代入して計算することにより、眼球上における両ビームの乖離量δｅは約７ｍｍとなる。また相対傾角βを５°に設定すると眼球上での光ビーム乖離量δｅは約８．８ｍｍとなる。
【００６５】
人の眼球の大きさは、個人差があるもののほぼ直径７ｍｍ以下といわれている。したがって光ビーム２１０８および２１０９の相対傾角βを少なくとも４°以上、望ましくは５°以上に設定することにより、例え偏向ミラー装置２１０１から１０ｃｍ離れた位置から人が誤って画像表示用光ビームを覗き込んだ場合においても、同時に２本以上の光ビームが眼球内に突入することを防ぐことができる。
なお光ビーム２１０８および２１０９の相対傾角βを仮に５°に設定した場合、例えばＬ＝１ｍ（＝１０００ｍｍ）離れた位置にある投射スクリーン２１０２上での乖離量δは約８８ｍｍとなる。
【００６６】
今、個々の画像表示エリア２１０２１および２１０２２が縦横比４：３の一般的な画像表示エリアとし、この位置における表示画像のサイズを２０インチ相当とすると、その垂直方向の画面高さＨは約３００ｍｍである。したがって前記２画面重畳エリアの画面高さＨ−δは、結局２１２ｍｍとなり、画面高さにして元の画像表示エリア２１０２１および２１０２２の約７０％を２画像重畳エリアとすることができる。そしてこの２画像重畳エリアにおいて、前記したような画像重畳の手法を用いることにより、各々の画像表示用光ビームの強度を増大させることなく表示画像の輝度を倍加させることができる。
【００６７】
なお以上述べた内容は、本発明の最も基本的な実施例として、図２１および図２２に示すように２本の独立した画像表示用光ビームによって投射スクリーン２１０２上に表示される２つの表示画像を垂直方向に所定の乖離量δだけずらせて重畳させる実施例に関する説明であったが、当然本発明はこれに限定されるものではない。重畳される画面数は３画面以上であっても一向に構わないし、その複数画面の乖離方向も垂直方向に限定されるものではなく、水平方向であっても構わないし、そのどちらでもない任意の方向であっても一向に構わない。
次に図２１の実施例において示した光ビーム合成素子２１０３の構成例およびその機能について、改めてその詳細を説明する。
【００６８】
図２３は、図２１で示した走査型投射装置中の光ビーム合成素子２１０３を中心とした主要部のみを抽出して示した概略側面図である。
ここでは、光ビーム合成素子２１０３は例えば図中に示すように３面の透明な平滑面２３０１，２３０２，２３０３からなる三角柱形状の光学プリズム構造になっている。
光源ユニット１０１を出射した画像表示用光ビーム２１０４は図のように光ビーム合成素子２１０３の平滑面２３０１に入射する。
【００６９】
この時、光ビーム２１０４の平滑面２３０１への入射角をθ１で表し、この平滑面２３０１を透過、屈折して光ビーム合成素子２１０３内を進行する光ビームの屈折角をθ１’で表すと、この光ビーム２１０４が紙面に平行な偏光方向の直線偏光（以下このような偏光をＰ偏光と記す。）を有する光ビームである場合、前記入射角θ１と屈折角θ１’およびこの平滑面２３０１での光ビーム２１０４の強度反射率Ｒ１の間には、一般にフレネルの式と呼ばれる以下の関係式が成り立つ。
Ｒ１＝｛ｔａｎ［θ１−θ１’］／ｔａｎ［θ１＋θ１’］｝２  ・・・（数式５）
また、前記入射角θ１と屈折角θ１’の間には、光ビーム合成素子２１０３の屈折率をｎ、外部（空気中）の屈折率を１とすると、屈折の基本法則（Ｓｎｅｌｌの法則）から以下の関係式が成り立つ。
ｓｉｎ［θ１’］＝ｓｉｎ［θ１］／ｎ    ・・・・・（数式６）
この（数式５）、（数式６）を用いれば、平滑面２３０１に入射する光ビーム２１０４の強度反射率Ｒ１を入射角θ１および該光ビーム合成素子２１０３の屈折率ｎを用いて求めることができる。
【００７０】
一方、光源ユニット１０２を出射した画像表示用光ビーム２１０５は図のように一旦平滑面２３０２から光ビーム合成素子２１０３内に入射し、該合成素子２１０３の内部を進行して平滑面２３０１に達する。そしてこの平滑面２３０１に、前記光ビーム２１０４とは逆に素子内部から外部（空気中）に向かう向きに入射する。
この時、光ビーム２１０５の平滑面２３０１への入射角を図に示すようにθ２で表し、その屈折角をθ２’（図示せず。）で表すと、この光ビーム２１０５が前記光ビーム２１０４と同様のＰ偏光を有する光ビームである場合、入射角θ２および屈折角θ２’およびこの平滑面２３０１での光ビーム２１０５の強度反射率Ｒ２の間には、前記（数式５）と同様の関係式（フレネルの式）が成り立つ。すなわち、
Ｒ２＝｛ｔａｎ［θ２−θ２’］／ｔａｎ［θ２＋θ２’］｝２  ・・・（数式７）
また入射角θ２と屈折角θ２’の間には、（数式６）と同様に屈折の基本法則から以下の関係式が成り立つ。なお下式右辺が前記（数式６）右辺と異なっていることに注目されたい。
ｓｉｎ［θ２’］＝ｎ・ｓｉｎ［θ２］    ・・・・・（数式８）
したがって前記光ビーム２１０４のケースと同様、この（数式７）、（数式８）を用いれば、光ビーム合成素子２１０３の平滑面２３０１に入射する光ビーム２１０５の強度反射率Ｒ２を入射角θ２と光ビーム合成素子２１０３の屈折率ｎを用いて求めることができる。
【００７１】
図２４は、前記（数式５）乃至（数式８）を用いて、光ビーム２１０４および２１０５それぞれの平滑面２３０１への入射角θ１およびθ２とそれぞれの光ビームの強度反射率Ｒ１、Ｒ２の関係をグラフ化したものである。
なおグラフ化に当たっては、光ビーム合成素子２１０３を構成する硝子材の一実施例として、高屈折率の光学硝子材として一般的に流通している記号Ｎ−Ｆ２（ＳＣＨＯＴＴ社光学ガラスデータシートより）で表される光学硝子材を用いるものとし、その屈折率ｎの値として、上記データシートに記載されている波長λ＝５１０ｎｍ帯の緑色光に対する値１．６２８を用いて計算した。
【００７２】
図中の一点鎖線（Ａ）が平滑面２３０１に入射する光ビーム２１０４の強度反射率Ｒ１を示し、実線（Ｂ）が同じく平滑面２３０１に入射する光ビーム２１０５の強度反射率Ｒ２を示す。
まず図中の一点鎖線（Ａ）に注目すると、入射角θ１が６０°近傍で強度反射率Ｒ１がほぼ０％になっている。強度反射率Ｒ１がほぼ０％ということは、光ビーム２１０４は光ビーム合成素子２１０３の平滑面２３０１をほぼ１００％の透過率で透過することを意味している。このような物理現象は以下のように説明される。
【００７３】
今、前記（数式５）右辺の分母  ｔａｎ［θ１＋θ１’］  に注目する。この式を分解すると、
ｔａｎ［θ１＋θ１’］＝（ｔａｎ［θ１］＋ｔａｎ［θ１’］）
／（１−ｔａｎ［θ１］・ｔａｎ［θ１’］）
・・・・・（数式９）
となる。ここで入射角θ１として、例えば
ｔａｎ［θＢ］＝ｎ    ・・・・・（数式１０）
となるような所定角度θＢを選ぶとすると、（数式６）に示す関係等を用いて導出することにより、入射角θＢに対する屈折角θＢ‘は以下のように表される。
なお詳しい導出の過程は煩雑になるので、本明細書では省略する。
ｔａｎ［θＢ’］＝１／ｎ    ・・・・・（数式１１）
この（数式１０）、（数式１１）の結果を前記（数式９）に代入すると、（数式９）右辺の分母が０となり、結局、
ｔａｎ［θＢ＋θＢ’］＝∞  ・・・・・（数式１２）
となる。そしてさらにこの（数式１２）の結果を（数式５）右辺に代入すると、分母が∞となるので最終的に（数式５）右辺＝０となる。
すなわち、入射角θ１が前記（数式１０）を満たすような所定角度θＢである時、光ビーム２１０４の強度反射率Ｒ１は理論的に０［％］、すなわち強度透過率Ｔ１＝１００［％］となる。
なお前記（数式１０）を満たすような所定角度θＢは、一般にブリュースター角と呼ばれる。例えば図２４の例ように、光ビーム合成素子２１０３の屈折率ｎを１．６２８とした場合、そのブリュースター角θＢは、約５８．５°となり、このブリュースター角およびその近傍の角度では光ビーム２１０４をほぼ透過率１００％で、すなわち入射した光ビームのエネルギー（強度）をほとんど損失することなく、光ビーム合成素子２１０３内に透過、進行させることができる。
【００７４】
次に図２４中の実線（Ｂ）に注目する。この（Ｂ）線は前記したように、平滑面２３０１に光ビーム合成素子２１０３の内部から入射する光ビーム２１０５の入射角θ２と強度反射率Ｒ２の関係を示したグラフである。
このグラフによると、光ビーム２１０５の強度反射率Ｒ２は、入射角θ２が３６°あたりまでは約１０％以下程度なのに対して、θ２が３６°を過ぎるあたりから急激に増大し、３８°以上になるとほぼ完全に１００％となっている。このような物理現象は次のように説明できる。
すなわち前記（数式８）において、入射角θ２として、
ｓｉｎ［θｍ］＝１／ｎ    ・・・・・（数式１３）
を満たすような所定角度θｍ以上の角度に設定すると、（数式８）に示す関係から
ｓｉｎ［θ２’］＞１      ・・・・・（数式１４）
となってしまい、（数式８）の関係自体が成立しなくなる。これはすなわち、透過、屈折する光ビームが物理的に全く存在し得なくなり、結果、全ての光ビームが反射する、つまり反射率が理論的に１００％となることを意味している。
【００７５】
なおこのように、前記（数式１３）を満たすような所定角度θｍは一般に全反射角と呼ばれる。
例えば図２４の例ように、光ビーム合成素子２１０３の屈折率ｎを１．６２８とした場合、その全反射角θｍは約３８°となり、入射角θ２を３８°以上に設定することにより、平滑面２３０１に入射した光ビーム２１０５を強度反射率１００％、すなわち光エネルギーを全く損失することなく、反射させることができる。
すなわち、前記したブリュースター角や全反射角の関係を利用することにより、同一の透明な平滑面に互いに逆方向から入射させた光ビームを、一方はほぼ１００％の透過率で透過させ、他方を１００％の反射率で反射させることができるわけである。
【００７６】
さらに云えば、前記平滑面を含む光ビーム合成素子の屈折率ｎやそれに対する各光ビームの入射角を、前記した理論に基づいて最適設計することで、透過、屈折した光ビームの屈折角と反射した光ビームの反射角をほぼ一致させることができ、結局、ガラスプリズム等のように単純な構成で安価な光学素子によって、極めて高い光利用効率で光ビームを合成、あるいはその光路を偏向させることができる。
例えば前記した実施例のように、記号Ｎ−Ｆ２で示される光学硝子材（屈折率ｎ＝１．６２８）で構成された図２３に示すような三角柱形状の光学プリズムを光ビーム合成素子２１０３として用い、光ビーム２１０４を入射角θ１＝６５°で入射させた場合、前記（数式５）および（数式６）を用いて計算すると、その強度反射率Ｒ１＝０．９［％］となる。これはすなわち、強度透過率Ｔ１＝９９．１［％］という極めて高い透過率で光ビーム２１０４が光ビーム合成素子２１０３内に透過、屈折、進行することを意味している。
【００７７】
またその際の屈折角θ１’は、（数式６）を用いて計算すると約３４°となる。
一方、光ビーム２１０５の平滑面２３０１への入射角θ２をθ２＝３９°に設定すると、これは明らかに前記全反射角θｍ＝３８°以上なので、その強度反射率は理論的に１００％となる。そして当然ながら、その際の反射角度は入射角度と同じく３９°となる。
この結果、光ビーム合成素子２１０３内を進行する光ビーム２１０４と２１０５の相対傾角（開き角）βは、３９°−３４°＝５°となり、前記したレーザ安全条件、すなわち  β＞４°を満足することができる。
【００７８】
なお光ビーム合成素子２１０３を出射して、それぞれ光ビーム２１０４および２１０５から光ビーム２１０６および２１０７となった２本の画像表示用光ビームは、図２３に示すように光ビーム合成素子２１０３の第３の平滑面２３０３を透過する際に屈折の影響受けるため、正確にはその相対傾角（開き角）βは５°から僅かにずれるが、平滑面２３０３に入射する２本の光ビームが平滑面２３０３に対してできるだけ垂直入射に近い角度で入射するよう平滑面２３０３の設置角度を最適設計することで、光ビーム２１０６および２１０７の相対傾角（開き角）βが最大でも５°以上１０°以下程度になるよう設計することは可能である。
なお上記実施例では、光ビーム合成素子２１０３の構成材料として、ごく一般的に流通している高屈折率光学硝子材として記号Ｎ−Ｆ２で示される光学硝子材（屈折率ｎ＝１．６２８）を用いた例を紹介したが、さらに高い屈折率の光学硝子材や光学用プラスチック材も存在し、それらを用いれば設計の自由度も拡大するのでさらに最適な設計も可能である。
【００７９】
また特にここで注目しなければならないのは、前記した全反射角θｍの定義式（数式１３）は、光ビーム２１０５の偏光状態には依存しないという点である。
つまり光ビーム２１０５は、その入射角θ２が（数式１３）であらわされる全反射角θｍ以上でありさえすれば、その偏光状態が光ビーム２１０４と同一のＰ偏光であっても、Ｐ偏光とは異なり紙面に垂直な偏光方向の直線偏光（以下このような偏光状態をＳ偏光と記す。）であっても、さらに云えばＰ偏光でもＳ偏向でもない他の任意の偏光状態であっても、強度反射率を理論上１００％にすることができる。
一方、光ビーム２１０４については、そもそも前記（数式５）で示されるフレネルの式が入射光ビームの偏光状態がＰ偏光であるという前提条件の基に成り立つ式であるので、Ｐ偏光で入射させるという制約がある。
【００８０】
したがって、本発明の光ビーム合成素子を用いれば、合成される光ビーム２１０４と２１０５の偏光状態をＰ偏光で統一することもできるし、光ビーム２１０４はＰ偏光、光ビーム２１０５はＳ偏光と互いに垂直な偏光方向状態に設定することもできる。
これは走査型投射装置および走査型画像表示装置を設計する際に、光学設計の自由度が増すことになり極めて有利である。
一方注意点としては、図２１の実施例の説明の際に述べたように、光ビーム合成素子２１０３を出射した光ビーム２１０６および２１０７は光ビーム走査用の偏向ミラー装置２１０１内の反射ミラーに入射する構成になっているが、その際実際の装置では、該２本の光ビームをできるだけその偏向回転軸に近い所定の一点に入射させるような設計にすることが望ましい。
【００８１】
そしてこれを実現するためには、光ビーム２１０６および２１０７には所定の相対傾角（開き角）βがあることを考慮して、図２３に示すように、光ビーム２１０４の平滑面２３０１への入射点と光ビーム２１０５の同平滑面２３０１への入射点を予め所定量だけずらしておくよう設計する必要がある。
ところで、図２３および図２４を用いて説明した光ビーム合成素子２１０３は、前記したように記号Ｎ−Ｆ２で示される高屈折光学ガラス材（屈折率ｎ＝１．６２８）からなる三角柱形状の光学プリズム構造になっているが、これは本発明の光ビーム合成素子の一実施例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
【００８２】
すなわち光ビーム合成素子を構成する光学材料は、前記したように記号Ｎ−Ｆ２で示される高屈折光学硝子材以外の光学硝子材あるいは光学用プラスチック材などを用いても一向に構わない。
またその形状も三角柱形状に限定されるものではなく、これまで説明してきた本発明における複数光ビームの各入射角の関係を満足するような形状、構造であればどのような形状、構造であっても一向に構わない。
さらに云えば、これまで説明してきた本発明における複数光ビームの各入射角の関係を満足するような形状、構造をいくつか組み合わせることより、３本以上の画像表示用光ビームを所定の相対傾角（開き角）βを与えた状態で投射スクリーン上に投射させるような構成であっても一向に構わない。
【符号の説明】
【００８３】
１０１，１０２，３００，３００ｂ、３００ｃ：光学ユニット（ＲＧＢ光源）、２０１，２０３，２０５：レーザ光源、２０２，２０４，２０６，３０２，３０３，３０４，３０５：コリメータレンズ、１０８，１０８ｂ，１０８ｃ，２０７，２０８：光合成素子、１０３，１０３ｂ，１０３ｃ：光屈折素子、１０４：全反射ミラー、１０６：走査素子、１０５：偏向ミラー、１０７：透明カバー、１０８１，１０８２，１０８３，１０８４・・・反射面、６０７，６０７ｂ，６０７ｃ：フロントモニター、１５０１，１７０１：ミラー、１６０１：プリズム、１８０１，１９０１：三角ミラー、２００１：偏光ビームスプリッタ、２１０１：光ビーム走査用偏向ミラー装置、２１０２：投射スクリーン、２１０３：光ビーム合成素子、２１０４，２１０５，２１０６，２１０７，２１０８，２１０９：画像表示用走査光ビーム、２１０２１，２１０２２：表示画像エリア、２１０２３：２画像重畳エリア。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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