(57)【要約】    【課題】  光源手段から画像情報に応じて光変調された光束を２次元走査が可能な走査手段で偏向走査し、被投射面に対して投射画像を斜め方向から投射して２次元画像を形成するとき、歪みが少なく良好な投射画像を得ること。    【解決手段】  光源手段から発せられた光束を互いに直交する方向に走査する走査手段と、該走査手段により走査された走査光束を被投射面に投射する投射系と、投射系は互いに平行偏心したパワーのある第１，第２の光学要素と、基準面内で第１，第２の光学要素の光軸から離れた位置に近軸曲率中心を有するパワーのある反射手段を有し、中心光束は被投射面の法線に対して斜方向から入射しており、走査基準点を通り、第１，第２の光学要素の光軸に対して平行な軸を基準軸とするとき、第１の光学要素と、第２の光学要素の光軸を適切に設定したこと。【選択図】    図１
2013083803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源手段と、該光源手段から発せられた光束を互いに直交する方向に走査する走査手段と、該走査手段により走査された走査光束を被投射面に投射する投射系とを有し、
前記投射系は互いに平行偏心したパワーのある第１，第２の光学要素と、前記第１，第２の光学要素の光軸を含む基準面内で、前記第１，第２の光学要素の光軸から離れた位置に近軸曲率中心を有するパワーのある反射手段とを含み、
前記走査手段で走査され、前記被投射面の基準面内における走査中心に入射する中心光束は前記被投射面の法線に対して斜方向から入射しており、
前記被投射面の走査中心に入射する中心光束が前記走査手段に入射するときの入射点を走査基準点とし、該走査基準点を通り、前記第１，第２の光学要素の光軸に対して平行な軸を基準軸とするとき、前記第１の光学要素の光軸は前記基準軸に対し、前記被投射面と反対側に平行偏心しており、前記第２の光学要素の光軸は、前記第１の光学要素の光軸に対して前記被投射面と反対側に平行偏心していることを特徴とする走査光学装置。
【請求項２】
前記光源手段から前記走査手段に入射する光束は収束光であり、前記走査手段の走査基準点に入射し走査される走査光束は前記第１の光学要素の光軸に対して片側領域に入射した後に結像し、その後、前記第２の光学要素の光軸に対して片側領域に入射した後に再結像することを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
【請求項３】
前記反射手段の近軸曲率中心は、前記基準軸に対して前記被投射面の側に位置していることを特徴とする請求項１又は２記載の走査光学装置。
【請求項４】
前記反射手段の近軸曲率中心は、前記第２の光学要素の光軸に対して前記被投射面と反対側に位置していることを特徴とする請求項１又は２記載の走査光学装置。
【請求項５】
前記第２の光学要素の近軸パワーは前記第１の光学要素の近軸パワーよりも強いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走査光学装置。
【請求項６】
前記第１の光学要素の前記基準軸からの偏心量をｙ１、前記第２の光学要素の前記第１の光学要素からの偏心量をｙ２、前記反射手段の近軸曲率中心の前記第２の光学要素からの偏心量をｙＲ、前記第１の光学要素の焦点距離をｆ１とするとき、
０．１０＜｜ｙ１／ｆ１｜＜０．３０
０．９０＜｜ｙ１／ｙ２｜＜２．００
０．１０＜｜ｙ２／ｙＲ｜＜２．５０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の走査光学装置。
【請求項７】
前記第２の光学要素の焦点距離をｆ２、前記反射手段の近軸焦点距離をｆＲとするとき、
１．２０＜ｆ１／ｆ２＜２．４０
１．２０＜ｆ２／ｆＲ＜３．００
なる条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の走査光学装置。
【請求項８】
光源手段と、該光源手段から発せられた光束を互いに直交する方向に走査する走査手段と、該走査手段により走査された走査光束を被投射面に投射する投射系とを有し、
前記投射系は互いに同一面内で偏心したパワーのある第１，第２の光学要素と、前記第１，第２の光学要素の光軸を含む基準面内で、前記第１，第２の光学要素の光軸から外れた位置に近軸曲率中心を有するパワーのある反射手段とを含み、
前記走査手段で走査され、前記被投射面の基準面内における走査中心に入射する中心光束は前記被投射面の法線に対して斜方向から入射しており、
前記被投射面の走査中心に入射する中心光束が前記走査手段に入射するときの入射点を走査基準点とし、該走査基準点を通り、前記第１の光学要素の光軸に対して平行な軸を基準軸とするとき、前記第１の光学要素の光軸は前記基準軸に対し、前記被投射面と反対側に偏心しており、前記第２の光学要素の光軸は、前記第１の光学要素の光軸に対して前記被投射面と反対側に偏心していることを特徴とする走査光学装置。
【請求項９】
前記光源手段から前記走査手段に入射する光束は収束光であり、前記走査手段の走査基準点に入射し走査される走査光束は前記第１の光学要素の光軸に対して片側領域に入射した後に結像し、その後、前記第２の光学要素の光軸に対して片側領域に入射した後に再結像することを特徴とする請求項８記載の走査光学装置。
【請求項１０】
前記反射手段の近軸曲率中心は、前記基準軸に対して前記被投射面の側に位置していることを特徴とする請求項８又は９記載の走査光学装置。
【請求項１１】
前記反射手段の近軸曲率中心は、前記第２の光学要素の光軸に対して前記被投射面と反対側に位置していることを特徴とする請求項８又は９記載の走査光学装置。
【請求項１２】
前記第２の光学要素の近軸パワーは前記第１の光学要素の近軸パワーよりも強いことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の走査光学装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の走査光学装置を有することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査光学装置及びそれを有する画像投射装置に関し、特に走査手段で偏向走査された光束（偏向光束）を２次元的に走査することによって、被走査面（スクリーン面）上に２次元画像を投射するようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
光源手段から発せられた光束を走査手段によって２次元的に偏向走査し、被走査面上をスポットで２次元的に光走査し、その残像効果によって２次元画像を形成する走査光学装置は種々と提案されている。
【０００３】
このうち、所謂ピコプロジェクタと呼ばれる携帯可能な画像投射装置が知られている。この画像投射装置では、ＬＥＤやレーザのような固体光源を使用し、ＬＣＤのような２次元画像素子を投射光学系で拡大投射している。この他、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-System）と呼ばれる小さな駆動ミラーを用いて光を走査（偏向）することで時分割的に画像を被投射面に形成する画像投射装置が知られている（非特許文献１）。
【０００４】
ピコプロジェクタの目的の一つに、携帯端末等に組み込み、必要に応じて投射した画像を少人数による情報共有に利用する事がある。この目的のためには、画像投射装置を小型化する必要がある。ＬＣＤ（液晶表示素子）のような２次元画像素子をこの目的で使用する場合には、画像素子面での照明の均一性や光束の取り込み効率が良いこと等が要求される。
【０００５】
レーザ光源を使用する走査方式の場合、非特許文献１では、その図５に示すように、走査ミラーで反射させる前に集光レンズを置いている。これにより、投射光学系を使用せず、また照明均一化の部材を用いずに装置全体の小型化を図っている。また、同文献ではＴＯＦ（Time Of Flight）等の３Ｄ計測の機能を走査機能に兼用させ、カメラ等の入力装置と組み合わせることで、これまでにないユーザインターフェースの実現を容易にしている。
【０００６】
一方、斜め投射方式と呼ばれる、スクリーン（被投射面）中心への入射光束が大きな入射角度を持って入射する方式の画像投射装置が知られている（特許文献１乃至３）。この方式は、視聴者の邪魔にならない位置からの投射を可能にし、画像投射装置としての設置の自由度を確保することが容易になるという特徴がある。
【０００７】
特許文献１乃至３における斜め投射方式では、入射角度が大きな場合、スクリーンに一番近い光学要素にパワーのあるミラー（反射部材）を使用している。特許文献２では凸面鏡を使用し、特許文献３では凹面鏡を使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ９７／０１７８７
【特許文献２】ＷＯ０１／０６２９５
【特許文献３】特開２００４−２５８６２０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「MEMS-based handheld projection systems and a survey of applications」Margaret K. Brown et al. SPIE Vol7930
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
斜め投射方式では凸面鏡と凹面鏡の違いはあるが、基本的な光学原理は次のようである。２次元画像素子あるいは走査方式のいずれにしても、スクリーンに投影される画像は、特別な場合を除き、歪み（歪曲収差）の無いことが望まれる。前記ミラーの主な役割は、この歪曲収差を補正する事である（即ち、光束の主光線を目標とするスクリーン上の位置に歪みが少なく投射すること）。従って、ミラーの形状はこの条件によって略決められる。このため、それに起因して非点収差等の収差がミラーで発生してくる。一般には、このとき発生する収差を、ミラー以外の光学要素で補正するようにしている。
【００１１】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、実際の斜め投射系に使用される自由曲面の凹面ミラー１０２について、通常の光の進行方向とは反対に、スクリーン１０１側から光束を射出させている。そして反射後に投射系の一定の瞳を通過するような設定にしてシミュレーション（光線追跡）したものである。
【００１２】
ここでは、一定の位置に瞳があると仮定したが、これは便宜上の話で、実際の投射光学系ではこのような一定の瞳があることは稀で、像高毎に少しずつずれた位置にある方が一般的である。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）では、凹面ミラー１０２の特性を把握のために例示的に光線追跡を示している。
【００１３】
スクリーン１０１を発し、凹面ミラー１０２で反射した光束は、その収束作用に従って、それぞれ所定の場所で集光する。例えば、スクリーン１０１の上端中央（水平走査方向の中央）から発した光束１は、図１０（ｂ）に示すようにメリディオナル断面では瞳から１１ｍｍの位置に集光する。また図１０（ｃ）に示すようにサジタル断面では１９．４ｍｍの位置に集光する。
【００１４】
次に、スクリーン１０１の下端中央から発した光束５の光束は、図１０（ｂ）に示すようにメリディオナル断面では瞳から３３．５ｍｍの位置に集光する。また図１０（ｃ）に示すようにサジタル断面では３３．３ｍｍの位置に集光する。
【００１５】
従って、スクリーン１０１の下端の光束５では略ゼロ、上端の光束１では８．４mmの非点収差（非点隔差）がある。このように投射光学系を通過する光線によって非点収差の量が異なり、ミラー以外の光学要素が補正手段としての役割が重要となる。もっとも存在する収差は非点収差だけではなく、高次の球面収差、コマ収差等も存在する。しかし一番寄与の大きな収差が非点収差である。
【００１６】
以上から、スクリーン上の各点に集光させるためには、逆に光線追跡した凹面ミラー１０２の各集光位置に、他の光学要素で集光させる必要がある。この斜め投射方式においては反射手段（凹面ミラー）及び反射手段から生ずる非点収差を補正すべく、他の光学要素の構成を適切に設定しないと被投射面に投射される歪みを少なくし、良好なる投射画像を得るのが困難になる。
【００１７】
本発明は、光源手段から画像情報に応じて光変調された光束を２次元走査が可能な走査手段で偏向走査する。そして、被投射面に対して投射画像を斜め方向から投射して２次元画像を形成するとき、歪みが少なく良好な投射画像が得られる小型の走査光学装置及びそれを有する画像投射装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の走査光学装置は、光源手段と、該光源手段から発せられた光束を互いに直交する方向に走査する走査手段と、該走査手段により走査された走査光束を被投射面に投射する投射系を有する走査光学装置において、
前記投射系は互いに平行偏心したパワーのある第１，第２の光学要素と、前記第１，第２の光学要素の光軸を含む基準面内で、前記第１，第２の光学要素の光軸から離れた位置に近軸曲率中心を有するパワーのある反射手段を有し、
前記走査手段で走査され、前記被投射面の基準面内における走査中心に入射する中心光束は前記被投射面の法線に対して斜方向から入射しており、前記被投射面の走査中心に入射する中心光束が前記走査手段に入射するときの入射点を走査基準点とし、
該走査基準点を通り、前記第１，第２の光学要素の光軸に対して平行な軸を基準軸とするとき、前記第１の光学要素の光軸は前記基準軸に対し、前記被投射面と反対側に平行偏心しており、前記第２の光学要素の光軸は、前記第１の光学要素の光軸に対して前記被投射面と反対側に平行偏心していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光源手段から画像情報に応じて光変調された光束を２次元走査が可能な走査手段で偏向走査し、被投射面に対して投射画像を斜め方向から投射して２次元画像を形成するとき、歪みが少なく良好な投射画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１の走査光学装置の中央断面図
【図２】図１の詳細図
【図３】図１の光路を展開したときの模式図
【図４】図２の光路を示す模式図
【図５】図１のスクリーン面上における歪曲の説明図
【図６】実施例１のスクリーン上の各集光点におけるスポットダイアグラム
【図７】球面レンズの曲率の違いを示す説明図
【図８】正レンズによる色収差の補正機能を示す説明図
【図９】ＲＧＢ各色のスポットダイアグラムを示した説明図
【図１０（ａ）】歪曲補正する機能を有する凹面ミラーに対して、スクリーン側から光束を入射させた様子を示した説明図
【図１０（ｂ）】図１０（ａ）の具体的な光束の凹面ミラー反射後のメリディオナル集光点を示した説明図
【図１０（ｃ）】図１０（ａ）の具体的な光束の凹面ミラー反射後のサジタル集光点を示した説明図
【図１１】実施例２の要部概略図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に具体的な例をもとに、本発明の実施の形態について説明する。本発明の走査光学装置は、光源手段（レーザ光源）と、光源手段から画像情報に基づいて光変調され発せられた光束（レーザ光束）を互いに直交する方向に走査する１枚又は２枚の走査ミラーを有する走査手段とを有する。更に走査手段により走査された走査光束を被投射面（スクリーン）に２次元投射する投射系を有する。また本発明の画像投射装置は、このような走査光学装置を用いている。
【００２２】
本実施例の走査光学装置は、例えばＰＤＡのような携帯情報端末とケーブルで接続すれば携帯情報端末の小さな画面を机の上などの被走査面に画像情報を表示することができる。
【００２３】
本発明の走査光学装置は、卓上において画像を投影することで共有する他、画像投射面の距離測定、カメラと組み合わせたユーザインターフェース等にも利用することができる。
【００２４】
図１は本発明の走査光学装置の実施例１の要部概略図である。図２は図１の一部分の拡大図である。図３は図１の模式図、図４は図３の一部分の説明図である。
【００２５】
本実施例では光源（光源手段）１からのレーザ光は、２次元方向で振動する走査ミラー（走査手段）２に入射する。そこで適宜方向を変えられ、走査結像用の投射光学系（投射系）３を通過し、被投射面としてのスクリーン４に斜め方向から入射する。それとともに、歪み（台形歪み）の軽減された画像を形成している。ここで走査ミラー２は、１枚の２次元方向に振動する走査ミラーでも、２枚の１次元走査ミラーを組み合わせたものであっても良い。
【００２６】
例えば走査手段としては、例えばＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-System）技術などで作製したＭＥＭＳデバイスが適用できる。投射系３は互いに平行偏心したパワー（屈折力のことであり焦点距離の逆数である。）のある第１，第２の光学要素３１ａ，３１ｂを有する。
【００２７】
更に第１，第２の光学要素３１ａ，３１ｂの光軸３１ａ２，３１ｂ２を含む基準面内（ｙｚ面内）である。そして第１，第２の光学要素３１ａ，３１ｂの光軸３１ａ２，３１ｂ２から離れた位置に近軸曲率中心３２ａを有するパワーのある自由曲面の凹面鏡よりなる反射手段３２を有している。
【００２８】
本実施例において走査手段２で走査され、被投射面４の基準面内における走査中心３に入射する中心光束は被投射面４の法線に対して斜方向から入射している。被投射面４の走査中心３に入射する中心光束が走査手段２に入射するときの入射点を走査基準点２ａとしている。
【００２９】
走査基準点２ａを通り、第１，第２の光学要素３１ａ，３１ｂの光軸３１ａ２，３１ｂ２に対して平行な軸を基準軸２ｂとする。このとき、第１の光学要素３１ａの光軸３１ａ２は基準軸２ａに対し、被投射面４と反対側（−ｙ軸方向）に平行偏心している。また、第２の光学要素３１ｂの光軸３１ｂ２は、第１の光学要素３１ａの光軸３１ａ２に対して被投射面４と反対側に平行偏心している。反射手段３２の近軸曲率中心３２ａは、基準面（ｙｚ面）内であって、基準軸２ｂに対して被投射面４側又は反対側に位置している。
【００３０】
光源手段１から走査手段２に入射する光束は収束光であり、走査手段２の走査基準点２ａに入射し走査される走査光束は第１の光学要素３１ａの光軸３１ａ２に対して片側領域（＋ｙ方向の領域）に入射した後に第１の集光点３１ａ１に結像する。その後、第２の光学要素３１ｂの光軸３１ｂ２に対して片側領域（＋ｙ方向の領域）に入射した後に第２の集光点３１ｂ１に再結像する。
【００３１】
次に本実施例の詳細について説明する。光源１からの画像情報に応じて光変調され放射されたレーザ光は、光源１を構成するコリメータレンズ等の作用により、所定の収束光に変換して出射している。光源１には、発散角の大きなレーザ光からの光束を制御するために、コリメータ等の光学要素を用いて、発光部から放射された光束の収束にも利用して、これにより光学要素の数を減らしている。図１の実施例１の場合、走査ミラー２で反射後、走査ミラー２から約６８ｍｍの位置に結像するような収束光になっている。
【００３２】
投射光学系３は、球面形状の正レンズ（第１の光学要素）３１ａ、同じく球面形状の正レンズ（第２の光学要素）３１ｂと、自由曲面よりなる反射手段としての凹面ミラー３２を有している。走査ミラー２で２次元走査された光束は、正レンズ３１ａの集光作用により、正レンズ３１aと正レンズ３１ｂの間の第１集光点で一旦結像する。
【００３３】
更に、正レンズ３１ｂの作用により、正レンズ３１ｂと凹面ミラー３２の第２集光点の間で再度結像する。これらの光束は、凹面ミラー３２の集光結像作用により、スクリーン４上に歪み（歪曲）の軽減されたスポットとして投射される。歪曲を制御するため、凹面ミラー３２の反射面は自由曲面形状となっている。
【００３４】
本実施例では、更にスクリーン４上で、走査光束が小さなスポットとして結像される条件を満たすために、次のような構成を有している。即ち、走査ミラー２に関して、スクリーン４が存在する方向を上側としたとき（光源１から放射される光束の中心１ａを基準としたとき）、正レンズ３１ａの光軸３１ａ１と、正レンズ３１ｂの光軸３１ｂ１が基準軸２ｂに対して下方向に軸ずれしている。
【００３５】
従って、走査ミラー２からの光束は、各レンズの主として光軸に対して上側（片側）を通過することになる。また、正レンズ３１ｂの光軸３１ｂ１は、正レンズ３１ａの光軸３１ａ１に対して基準軸２ａに対して相対的に更に下方に軸ずれしている。
【００３６】
このような構成の結果を確認するため、図５に歪曲の状況を示す。図５は、スクリーン４での代表的な光束の集光状態を示している。投射光学系３はこのスクリーン４の中央下側に配置され、図１がその中央断面４Ａと一致する。
【００３７】
この光学系の配置では、左右対称となるため、図５ではスクリーン４の左半分のスポットの状況だけを示している。図５から、歪み（投射歪み）が良く補正されている様子が分かる。
【００３８】
本実施例において、スクリーン４の大きさは、略Ａ４に相当する大きさである。スクリーン面４から凹面ミラー３２の一番遠いところ迄の距離（スクリーン４上の点１凹面ミラー３２の点１までの距離）は約９０ｍｍである。図１では、光源１から凹面ミラー３２迄を直列に並べた光学系として配置しているが、状況に応じて平面ミラー等で適宜光路を折り曲げることで、装置全体の小型化を図ることができる。
【００３９】
図６において領域Ａは図５の走査中央軸（Ｙ軸）Ａに対応している。同様に図６の領域Ｂ，Ｃ，Ｄは図５のＹ軸方向Ｂ，Ｃ，Ｄに対応している。図６に示すとおり、スクリーン４上の各スポットに関して、良好な補正が達成されている。尚、図５，６とも図１の光線番号１−５に対応するように同じ番号を付してある。
【００４０】
次に、本実施例において、このような補正が行える理由を説明する。図２は投射光学系３の各集光点を示したものである。具体的には走査ミラー２で反射偏向された光束が正レンズ３１ａを通過後の第１集光点３１ａ１と、正レンズ３１ｂ通過後の第２集光点３１ｂ１を形成する。第１集光点３１ａ１の方は、正レンズ３１ａの光軸３１ａ２に対して略垂直に近い配列を持ち、第２集光点３１ｂ１の方は逆に光軸方向３１ｂ２に近い配列となっている。
【００４１】
表１２の実施例１の欄は、図１の光線１から光線５の中央断面４Ａの光束の各集光点に関し、メリディオナル（以下Ｍと略記）断面・サジタル（以下Ｓと略記）断面の各光束断面の集光位置を走査ミラー２の位置を基準として示したものである。
【００４２】
ここで走査ミラー２の位置の基準としては、走査ミラー２の水平走査角度の中心及び垂直走査角度の中心である。表９において水平走査０°及び垂直走査０°のときである。
【００４３】
第１集光点３１ａ１、第２集光点３１ｂ１とも光線５から光線１に移動するに従って、Ｍの集光点の方が走査ミラーにより近い位置に集光すると同時に、ＭとＳの差（非点隔差）Δも拡大する。このことが、背景技術で説明した投射系の凹面ミラーの非点収差とマッチングするための重要なポイントとなる。
【００４４】
ここでマッチングとは凹面ミラー３２でスクリーン４上に２次元的な画像を投射するときに歪みの少ない（歪曲の少ない）投射像を得るための凹面ミラー３２の物点としての形状を第１，第２の光学素子３１ａ，３１ｂで形成することをいう。
【００４５】
球面の場合、図７に示すように、光線の通過する位置によって、メリディオナル断面の曲率（Ｒm）とサジタル断面の曲率（Ｒs）とが異なる。従って、より曲率の小さなサジタル断面の方がよりレンズに近い位置に集光するはずである。しかし、表１に示す実施例１の場合、逆にメリディオナル断面の光束の方がより近くに結像している（ＭとＳの結像点の差分Δが負になっている場合）。
【００４６】
この理由は上記の曲率の差の寄与の他に、面の傾きの影響が加わることによる。即ち収束光が傾いた面に入射する際、プリズム効果により手前に収束させる効果を持つ。従って、面の曲率だけでなくこのプリズム効果を最適化することで、必要とされる非点収差に近い結像条件を満足する事ができる。この理由のため、走査ミラー２からの光束が収束光であることが望まく、その収束位置も設計自由度となり得る。
【００４７】
このプリズム効果を具体的に実現するには、球面の場合は軸ずれをパラメータに使用する。但し、この様に大きな非点収差を１枚の正レンズ３１ａだけで実現するのは困難である。それは、走査ミラー２からの各主光線に着目した場合、それは走査ミラー２を中心とした発散光となっており、それを投射光学系３に向けて収束させる条件と、各光束の目標の非点収差を形成する条件とを両立させるには、自由度が少なすぎるためである。
【００４８】
そのため、複数枚の球面レンズが必要となる。図１では、２枚の正レンズ３１ａ，３１ｂを使用している。そして最初の正レンズ３１ａで走査光を第１集光点３１ａ１に収束させるとともに、小さな非点収差を発生させる（または、逆方向の非点収差の発生を抑える）。そして、更に２番目の正レンズ３１ｂで非点収差を拡大させることで、凹面ミラー３２で生ずる非点収差とのマッチングをとる。このとき、正レンズ同士の相対軸ずれも重要なパラメータである。
【００４９】
例えば基準軸２ｂからの軸ずれを後述するように適切に設定している。また、このような正レンズのみの構成で、色収差も補正できる。軸ずれを有する最初の正レンズ３１ａ通過後、光軸３１ａ２から離れた位置を通過する光束では、当然赤に比べて、青色光の屈折が大きい。そのため、図８に記載の通り、２番目の正レンズ３１ｂ通過の際には青色が光軸３１ｂ２に近い側を通ることになり、上記のプリズム効果が弱められる。
【００５０】
結果として、２番目の正レンズ３１ｂを通過することで、色収差が縮小する。この補正の基本的な原理から、各正レンズ３１ａ，３１ｂの材料のアッベ数は比較的自由に選ぶことができる。この時の各色の集光の様子を図９に示す。
【００５１】
以上の非点収差の発生効果と色収差の補正効果とを合わせることにより、斜め投射可能な走査光学装置を実現している。非点収差の量は、求められる斜め投射の度合いによって変化するが、設置の自由度を考えた場合、非点収差の最小と最大の比が０．３以下であることが望ましい。
【００５２】
ここで非点収差の最小と最大の比（以下単に比と呼ぶ）が０．３以下であることの技術的根拠は次のとおりである。まず数値の範囲として、基本的には−０．３から＋０．３の範囲で、従って、０も当然含む。
【００５３】
図１の５に相当する光束は、本実施例の基本構成に於いては、第１及び第２光学要素の光軸付近を通過する。従って発生する非点収差量は小さく、その差はゼロに近くなる。このことから、比もゼロに近くなる。
【００５４】
一方、この比の絶対値が大きくなるケースは２つで、プラス側に振れる場合と、マイナス側に振れる場合の二通りがある。プラス側に振れる場合は、５の光束が主として光軸より上側を通過する場合に相当し、マイナス側に振れる場合は、５の光束が主として光軸の下側を通過する場合に相当する。
【００５５】
プラス側に振れる場合は、１に相当する光束が光学要素の高い位置を通過することとなり（光学要素の相対的な偏心量が大きくなる）、コマ収差の発生等、非点収差以外の収差が大きくなり、それを抑制するために、余分な自由度が必要になる。更に、反射手段で発生する非点収差と、第１、第２要素で発生する非点収差との絶対量のマッチングが困難になり、同じく余分な自由度の追加が必要となる。
【００５６】
マイナス側に振れる場合（実施例４，５，６の場合）は、光学要素の光軸を挟んで下側にも５の光束が回り込むようになり、１に相当する光束が光学要素の低い位置を通過する。この度合いが大きくなると、色収差の抑制が難しくなり、色消し手段（貼り合わせレンズや回折素子の追加）が必要となる。また、プラス側同様に、反射手段で発生する非点収差と第１、第２要素で発生する非点収差の絶対量のマッチングが困難になり、自由度の追加が必要となる。
【００５７】
また、最初の正レンズ３１ａより、２番目の正レンズ３１ｂの非点収差の隔差形成の寄与が大きく、２番目の正レンズ３１ｂの方が強いパワーを有するのが良い。即ち、第２の光学要素の近軸パワーは第１の光学要素の近軸パワーよりも強い。
【００５８】
凹面ミラー３２には、自由曲面形状を採用している。これは、主として先に述べた歪曲の補正の自由度を上げるためである。歪曲が多少許容しうる場合は、通常の回転対称非球面も利用することができる。但し、球面ミラーは歪曲補正が困難であるため使用する事が難しい。通常このような凹面ミラーは製造を考えると材料として樹脂が用いられるが、使用される部分が、軸外しの部分となるため、金型の補正が必要となる。そのため、自由曲面としても容易に製造することができる。
【００５９】
本実施例における走査光学装置は簡易な構成であるにもかかわらず、良好なる光学性能の投射画像が得られる。
【００６０】
本発明の各実施例に対して、特許文献３の図１に示す投射光学系は、走査型ではなく、画像形成素子と斜め投射光学系を組み合わせた構成である。特許文献３の図１において、光源１０側の最初の正レンズ１２は、照明光学系の一部を構成するものである。また、結像光学系の最初の要素である正レンズ１７は、実際１枚の正レンズで構成される訳ではなく、各実施例で示されるように多くの光学要素から構成される正のパワーを有する光学系を象徴的に表現している。
【００６１】
更に、同図３の投射光学系では、実際に１枚の球面形状よりなる正レンズ１７Ａと球面形状の凹面ミラー１９Ａで構成されたものをデータとともに提示している。実際、データを確認してみると、球面形状の凹ミラー１９Ａは歪曲を補正する機能は有していない。また、球面形状の正レンズ１７Ａも、前に説明したような非点収差の補正機能を持ってないため、提示の構成では、歪曲、非点収差の両方とも補正されていない。
【００６２】
特許文献３は正のパワーを有する光学系とミラーを組み合わせた場合の概念を説明しているだけである。特許文献３は走査型で斜め投射光学系を用いていない点で本発明の走査光学装置と全く異なっている。
【００６３】
次に各実施例の好ましい構成について説明する。第１の光学要素３１ａの基準軸２ｂからの偏心量をｙ１とする。第２の光学要素３１ｂの第１の光学要素３１ａからの偏心量をｙ２とする。反射手段３２の近軸曲率中心３２ａの第２の光学要素３１ｂからの偏心量をｙＲとする。第１の光学要素３１ａの焦点距離をｆ１とする。第２の光学要素３１ｂの焦点距離をｆ２とする。反射手段３２の近軸焦点距離をｆＲとする。このとき、以下の諸条件のうち１以上を満足するのが良い。
【００６４】
０．１０＜｜ｙ１／ｆ１｜＜０．３０    ・・・（１）
０．９０＜｜ｙ１／ｙ２｜＜２．００    ・・・（２）
０．１０＜｜ｙ２／ｙＲ｜＜２．５０    ・・・（３）
１．２０＜ｆ１／ｆ２＜２．４０        ・・・（４）
１．２０＜ｆ２／ｆＲ＜３．００        ・・・（５）
条件式（１）は第１の光学要素３１ａの偏心量に関し、条件式（２）は第２の光学要素３１ｂの偏心量に関し、条件式（３）は反射手段３２の偏心量に関する。
【００６５】
これらの条件式（１）乃至（３）を満足するように、各光学部材の偏心量を特定することによって、被投射面４に良好なる光学性能で画像情報を形成するのを容易にしている。
【００６６】
条件式（４）は第１の光学要素３１ａと第２の光学要素３１ｂの焦点距離の比に関し、条件式（５）は第２の光学要素と反射手段の焦点距離の比に関する。条件式（４），（５）を満足するように各光学部材のパワーを特定することによって、被投射面に歪みが少なく、良好なる光学性能で画像情報を形成することを容易にしている。
【００６７】
以上、本発明の基本的な構成を説明したが、更に、設計の自由度・完成度を向上するために、様々な手段が考えられる。その際の、主な着目点としては、非点収差・光線角度・色収差等の補正不足を補うような自由度の付加が効果的である。
【００６８】
例えば、代表的な自由度の例を列挙すると、
・レンズ面の非球面化・自由曲面化（非点収差、光線角度の改善）
・負レンズの導入（色収差の改善）
・光学部品の付加（非点収差、光線角度の改善）
・付加した光学部品の偏心（色収差、非点収差等の改善）
・回折面の導入（色収差等の改善）
・走査ミラーの垂直・水平走査角の最適化（非点収差、光線角度の改善）
等が挙げられる。
【００６９】
このような自由度の付加は、目的に応じて適宜行われるが、出来るだけ効果的に、少ない自由度で簡易な構成で済ませることが重要である。括弧内に、その自由度によって主に期待できる効果を記しているが、当然他の項目にも影響を与える。また、付加自由度を増やすに従って、前記の第１、第２集光点に関する条件も緩められ、２枚のレンズ構成を基本として説明した条件が、必須条件では無くなる場合もある。
【００７０】
表１乃至表８は、各々本発明の走査光学装置の実施例１乃至８の数値例の構成表である。各実施例の共通事項について説明する。構成表の左欄のＮｏについて、Ｍｓは走査ミラー（走査手段）２、３２は凹面ミラー（反射手段）、Ｓｃはスクリーン（被投射面）４等を表す。また、ａ、ｂ、ｃ・・等の数値は、順番に光学要素３１ａ、３１ｂ、３１ｃ・・・に対応する。
【００７１】
形状は、各光学要素の面形状がどのようなものであるかを示しており、非球面の場合には、数１で面の深さＺが与えられる。また、自由曲面と記載されている場合は、面の深さＺは数２の多項式で表される。回折面と記載されている場合は、式１の非球面上に、数３で示される位相項を有する回折面が形成されていることを示している。
【００７２】
【数１】
2013083803.tif 000003
【００７３】
【数２】
2013083803.tif 000004
【００７４】
【数３】
2013083803.tif 000005
【００７５】
数１では光軸方向での位置をｚとし、光軸と直交する方向での位置をｈとし、光の進行方向を正とする。１／Ｃを近軸曲率半径とし、ｋを円錐係数とし、A4，A6，A8・・・を非球面係数とする。
【００７６】
数２では最初の項は、数１の非球面式の最初の項と同じ式であり、円錐係数で決まる２次曲線を光軸の周りに回転した２次曲面を表す。次のXとYのｎ次のべき乗に関する和は、この２次曲面への深さの補正項となる。ｉ＝ｊ＝０の定数項は含まない。最初の１次の項は、Ｘ1Ｙ0  とＸ０Ｙ１との2つであり、それぞれに係数Ａ１０、Ａ０１が対応する。そして、それぞれＸ方向の傾きとＹ方向の傾きの大きさを表している。次の２次の項には、Ｘ２Ｙ０、Ｘ１Ｙ１、Ｘ０Ｙ２の３つの項があり、係数Ａ2０、Ａ１１、Ａ０２が対応する。以下ｎ次項についても同様である。左右対称な系の場合、Ｘの奇数次項は含まない。
【００７７】
ここで回折光学部のパワー（焦点距離の逆数）φＤは次の如く求められる。回折光学部の回折格子の形状を基準波長（ｄ線）をλｄ、光軸からの距離をｈ、位相係数をB2,B4,B6・・・B2・i、そして位相φ（ｈ）を
φ（ｈ）＝（２π／λｄ）・（B2×h2＋B4×h4＋・・・・B2・i×h2・i）
なる式で表す。このとき、２次項の係数B2より、屈折力φｄは
φｄ＝−２・Ｂ2
となる。
【００７８】
構成パラメータの符号は、光学分野における慣例に従い光の進行に関し、左方から右方へ測ったときを正としている。構成パラメータとして、その面の曲率半径、次の面までの間隔（厚さ）、硝子材料（光学材料）、Ｃｏｎｉｃ（円推定数）が示されている。なお、負の間隔は、ミラーで光束が反射し、光束が右方から左方へ侵攻する場合を示す。構成パラメータ以外に必要な項目は、表９、表１０、表１１にまとめて記載している。
【００７９】
表９は、走査ミラー２の振り角（回転角）を示したものである。この例では、走査ミラー２は、水平・垂直の２軸で走査する方式である。実施例８以外はすべて同じ振り角である。実施例１乃至７の振り角の縦横比は略０．５６である。実施例８の振り角の縦横比は０．６０５である。なお、各実施例ではスクリーンへの投射面積は便宜上Ａ４の大きさとしており、その縦横比は約０．７である。
【００８０】
表１０は、各実施例において走査ミラー２に入射する光束を集光光束として、走査ミラー２を反射後、走査ミラー２より、どの程度離れた位置に集光するかを示した表である。なお、光束の集光作用及び集光状態は、コリメータの光軸方向の位置調整や新たにレンズを付加すること等で行われる。また、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つのレーザを用いた場合、各レーザごとに行われる。
【００８１】
表１１は、各実施例の構成表に対応する光学要素の偏心量を示す一覧表である。光源手段からのレーザ光の中心光線が放射される方向１ａを基準とし、この基準軸２ｂはＹ方向の軸ずれＹを０としている。各実施例では、簡単のため、走査光学装置３がスクリーン４の中央断面下方（Ｙ方向）に偏心していると仮定している。この横（ｘ）方向の軸ずれや、ｙ軸周りの回転の欄はゼロとなっているが、より一般的な設置を行う場合は、これらも利用する事となる。また、参考のため、右側の欄に各光学要素の焦点距離を示している。また前述した条件式（１）乃至（５）も示している。表１乃至表８の具体的な構成は次のとおりである。
【００８２】
表１は、２枚の球面レンズａ，ｂと、凹形状の自由曲面ミラー３２とで投射系を構成した実施例１である。表２は、２枚の球面レンズａ，ｂと、回転対称の凹形状の非球面ミラーとで投射系を構成した実施例２である。表３は、２枚の非球面レンズａ，ｂと、凹形状の自由曲面ミラーとで投射系を構成した実施例３である。表４は、２枚の球面レンズａ，ｂ、１枚の非球面樹脂レンズｃと、凹形状の自由曲面ミラーとで投射系を構成した実施例４である。表５は、１枚の球面レンズａ、２つの球面レンズの貼り合わせレンズｂ、１枚の非球面樹脂レンズｃ、凹形状の自由曲面ミラーとで投射系を構成した実施例５である。表６は、１枚の非球面レンズａ、１枚の自由曲面レンズｂ、凹形状の自由曲面ミラーｃとで投射系を構成した実施例６である。表７は、１枚の非球面レンズａ、１枚の非球面・回折レンズｂ、凹形状の自由曲面ミラーとで投射系を構成した実施例７である。表８は、２枚の球面レンズａ，ｂと凹形状の自由曲面ミラーｃとで投射系を構成した実施例８である。この構成は実施例１と類似であるが、設計の自由度として、走査ミラーの振り角を変えた例である。
【００８３】
【表１】
2013083803.tif 000006
【００８４】
【表２】
2013083803.tif 000007
【００８５】
【表３】
2013083803.tif 000008
【００８６】
【表４】
2013083803.tif 000009
【００８７】
【表５】
2013083803.tif 000010
【００８８】
【表６】
2013083803.tif 000011
【００８９】
【表７】
2013083803.tif 000012
【００９０】
【表８】
2013083803.tif 000013
【００９１】
【表９】
2013083803.tif 000014
【００９２】
【表１０】
2013083803.tif 000015
【００９３】
【表１１】
2013083803.tif 000016
【００９４】
【表１２】
2013083803.tif 000017
【００９５】
以上の実施例において、投射系３が互いに同一平面内で平行偏心又は傾き偏心の少なくとも一方で偏心したパワーのある第１，第２の光学要素と、第１，第２の光学要素の光軸を含む基準面内で、第１，第２の光学要素の光軸から離れた位置に近軸曲率中心を有するパワーのある反射手段より構成しても良い。
【００９６】
図１１は第１の光学要素３１ａと第２の光学要素３１ｂが互いに同一平面（ＹＺ面）で傾き偏心したときの走査光学装置の実施例２の要部概略図である。即ち、第１の光学要素３１ａの光軸３１ａ２と第２の光学要素３１ｂの光軸３１ｂ２が平行でなく、傾いている。図１１の各部材に示した各符番と図４の各部材に示した符番と同じものは同符番を付している。
【００９７】
図１１において、投射系３は互いに同一面内で傾き偏心したパワーのある第１，第２の光学要素３１ａ，３１ｂと、第１，第２の光学要素３１ａ，３１ｂの光軸３１ａ２，３１ｂ２を含む基準面（ＹＺ面）内で、第１，第２の光学要素３１ａ，３１ｂの光軸３１ａ２，３１ｂ２から外れた位置に近軸曲率中心３２ａを有するパワーのある反射手段３２を有している。
【００９８】
走査手段２で走査され、被投射面４の基準面（ＹＺ面）内における走査中心に入射する中心光束は前記被投射面の法線に対して斜方向から入射している。そして被投射面４の走査中心３に入射する中心光束が走査手段２に入射するときの入射点を走査基準点２ａとする。
【００９９】
走査基準点２ａを通り、第１の光学要素３１ａの光軸３１ａ２に対して平行な軸を基準軸２ｂとする。このとき、第１の光学要素３１ａの光軸３１ａ２は基準軸２ｂに対し、被投射面４と反対側に偏心している。また、第２の光学要素３１ｂの光軸３１ｂ２は、第１の光学要素の光軸に対して被投射面と反対側に傾き偏心している。
【符号の説明】
【０１００】
１  光源        ２  走査ミラー（走査手段）      ３  投射光学系（投射系）
４  スクリーン（被投射面）      ３１ａ  第１の光学要素    ３１ｂ  第２の光学要素
３２  凹面ミラー（反射手段）      ｈ  面上の光軸からの高さ      ｒ  曲率半径
ｃ  曲率半径の逆数    Ａ４、Ａ６  非球面係数    Ｂ2、Ｂ4  位相係数
Ｘ０Ｙ１、Ｘ１Ｙ０  多項式で表現した自由曲面係数    Ｘ  水平方向の座標軸
Ｙ  垂直方向の座標軸      Ｚ  光軸方向の座標軸
丸１、丸２  スクリーンに向かう光束の番号
【図１】
2013083803.tif 000018
【図２】
2013083803.tif 000019
【図３】
2013083803.tif 000020
【図４】
2013083803.tif 000021
【図５】
2013083803.tif 000022
【図６】
2013083803.tif 000023
【図７】
2013083803.tif 000024
【図８】
2013083803.tif 000025
【図９】
2013083803.tif 000026
【図１０（ａ）】
2013083803.tif 000027
【図１０（ｂ）】
2013083803.tif 000028
【図１０（ｃ）】
2013083803.tif 000029
【図１１】
2013083803.tif 000030