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技術 走査装置、画像表示装置及びその制御方法

出願人 日本電気株式会社
発明者 今井浩
出願日 2010年12月14日 (8年2ヶ月経過) 出願番号 2011-546130
公開日 2013年4月25日 (5年9ヶ月経過) 公開番号 WO2011-074572
状態 特許登録済
技術分野 機械的光走査系 偏光要素 投影装置 電気信号の光信号への変換
主要キーワード 画像精細度 単位時間辺り 走査角α 磁気アクチュエータ 逆正接関数 単位走査 円形ミラー マイクロメカニカルミラー
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重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

光源から出射されたビーム走査する走査装置は、前記光源から出射されたビームを集光するビーム集光部と、前記ビーム集光部の出射側に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを発散させるビーム発散部と、前記ビーム集光部と前記ビーム発散部との間に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを走査する第1の走査部と、前記第1の走査部の走査角に応じて前記ビーム集光部及び前記ビーム発散部のうち、少なくとも一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させる移動部とを備えている。

概要

背景

従来から、ハロゲンランプ高圧水銀ランプ等の光源から出射されたインコヒーレント光液晶ライトバルブ等の面状の画像表示素子投射し、その画像表示素子からの出射光を、投射レンズで被投射面拡大投射して画像を表示する投射型画像表示装置が知られている。

このような投射型画像表示装置では、インコヒーレント光が使用されているため、電力消費が大きいという問題や、表示画像輝度が小さいという問題があった。また、光源から出射されるインコヒーレント光の波長帯域が広いため、色度域を広くすることが困難であった。さらに、画像表示素子として面状の画像表示素子が使用されているため、装置の小型化が困難であった。また、表示画像が投射レンズの焦点深度以内に投射されないと、その表示画像のピントが合わない。そのため、使用者は被投射面の位置に応じてピントを調節する必要があり、利便性を損ねるという問題もあった。

上述した問題を解決するための技術として、レーザー光を出射するレーザー光源を用いた画像表示装置が提案または開発されている。このような画像表示装置には、光源から出射されたレーザー光を、走査部によって2次元走査水平走査及び垂直走査)して被投射面に投射することで、画像を表示する走査型画像表示装置がある。

上述した走査型画像表示装置において、短い投射距離で大きな画面を投射するためには、走査角度の大きい走査部が必要である。走査部として、例えば共振型マイクロメカニカルミラーガルバノスキャナ等を用いることができる。この場合、走査角度を大きくすると駆動用静電アクチュエータ電磁アクチュエータ駆動電流増し消費電力が大きくなるという問題がある。また、共振型マイクロメカニカルミラーは走査角度が大きくなると、装置の耐久性が低下し、ミラー回動可能に支持するヒンジ部等が破断する虞がある。このため、信頼性を得ることが困難であった。

上述した問題を解決して、走査部の走査角度を大きくするための技術として、例えば特許文献1に開示された走査装置がある。図14は、特許文献1に記載の走査装置を説明するための図である。
図14に示す走査装置では、図示しない光源から出射側にかけて、走査部131、集光レンズG1及び発散レンズG2が配置されている。これらは、集光レンズG1の出射側の焦点位置f1と、発散レンズG2の入射側の焦点位置f2とが一致するように配置されている。この構成によれば、発散レンズG2から出射されるレーザー光の出射角θ2を、走査部131から集光レンズG1に入射するレーザー光の入射角θ1よりも大きくすることができる。その結果、被投射面(不図示)上で大きな走査範囲を得ることができる。

このような走査型画像表示装置では、ピントを調節できる範囲が広げ、かつ高精細な画像を表示するために、被投射面上にビームウエストを配置するような構成がある(例えば、特許文献2参照)。

概要

光源から出射されたビームを走査する走査装置は、前記光源から出射されたビームを集光するビーム集光部と、前記ビーム集光部の出射側に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを発散させるビーム発散部と、前記ビーム集光部と前記ビーム発散部との間に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを走査する第1の走査部と、前記第1の走査部の走査角に応じて前記ビーム集光部及び前記ビーム発散部のうち、少なくとも一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させる移動部とを備えている。

目的

本発明の目的の一例は、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる走査装置、画像表示装置、及びその制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

光源から出射されたビーム走査する走査装置であって、前記光源から出射されたビームを集光するビーム集光部と、前記ビーム集光部の出射側に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを発散させるビーム発散部と、前記ビーム集光部と前記ビーム発散部との間に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを走査する第1の走査部と、前記第1の走査部の走査角に応じて前記ビーム集光部及び前記ビーム発散部のうち、少なくとも一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させる移動部とを備えている走査装置。

請求項2

前記移動部は、前記第1の走査部の走査角に応じて、ビームの焦点が被投射面に位置させるように、前記ビーム集光部を移動させる請求項1記載の走査装置。

請求項3

前記移動部は、前記第1の走査部の走査角に応じて、単位時間辺りの走査変位が被投射面上において等間隔となるように、前記ビーム発散部を移動させる請求項1または請求項2記載の走査装置。

請求項4

前記ビーム集光部と前記第1の走査部との間に配置された偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタと前記第1の走査部との間に配置された1/4波長板とをさらに備えている請求項1ないし請求項3の何れか1項に記載の走査装置。

請求項5

前記偏光ビームスプリッタと前記ビーム発散部との間に第2の走査部を配置している請求項4記載の走査装置。

請求項6

前記ビーム集光部と前記第1の走査部との間に配置されたミラーをさらに備え、前記ミラーは前記第1の走査部への入射角が45度未満になるように配置されている請求項1ないし請求項3の何れか1項に記載の走査装置。

請求項7

前記光源は、それぞれの偏光方向が直交したビームを出射する第1の光源及び第2の光源を有し、前記光源は、前記第1の光源及び前記第2の光源と前記ビーム集光部との間に、前記第1の光源及び前記第2の光源から出射されたビームを合成する光合成部をさらに有している請求項6記載の走査装置。

請求項8

請求項1ないし請求項7の何れか1項に記載の走査装置を有する画像表示装置であって、ビームを外部の被投射面上に走査して画像を表示する画像表示装置。

請求項9

前記ビーム集光部と前記第1の走査部との距離、及び前記ビーム発散部と前記第1の走査部との距離を前記第1の走査部の走査角に応じて制御する信号処理部をさらに有している請求項8記載の画像表示装置。

請求項10

請求項8または請求項9記載の画像表示装置の制御方法であって、ビームの焦点を常に所定の被投射面内に位置させるように、前記ビーム集光部と前記第1の走査部との距離を変化させることを含む画像表示装置の制御方法。

技術分野

0001

本発明は、走査装置画像表示装置及びその制御方法に関する。本発明は、特にレーザー光走査して被投射面上に画像を表示する走査装置、画像表示装置及びその制御方法に関する。

背景技術

0002

従来から、ハロゲンランプ高圧水銀ランプ等の光源から出射されたインコヒーレント光液晶ライトバルブ等の面状の画像表示素子投射し、その画像表示素子からの出射光を、投射レンズで被投射面に拡大投射して画像を表示する投射型画像表示装置が知られている。

0003

このような投射型画像表示装置では、インコヒーレント光が使用されているため、電力消費が大きいという問題や、表示画像輝度が小さいという問題があった。また、光源から出射されるインコヒーレント光の波長帯域が広いため、色度域を広くすることが困難であった。さらに、画像表示素子として面状の画像表示素子が使用されているため、装置の小型化が困難であった。また、表示画像が投射レンズの焦点深度以内に投射されないと、その表示画像のピントが合わない。そのため、使用者は被投射面の位置に応じてピントを調節する必要があり、利便性を損ねるという問題もあった。

0004

上述した問題を解決するための技術として、レーザー光を出射するレーザー光源を用いた画像表示装置が提案または開発されている。このような画像表示装置には、光源から出射されたレーザー光を、走査部によって2次元走査水平走査及び垂直走査)して被投射面に投射することで、画像を表示する走査型画像表示装置がある。

0005

上述した走査型画像表示装置において、短い投射距離で大きな画面を投射するためには、走査角度の大きい走査部が必要である。走査部として、例えば共振型マイクロメカニカルミラーガルバノスキャナ等を用いることができる。この場合、走査角度を大きくすると駆動用静電アクチュエータ電磁アクチュエータ駆動電流増し消費電力が大きくなるという問題がある。また、共振型マイクロメカニカルミラーは走査角度が大きくなると、装置の耐久性が低下し、ミラー回動可能に支持するヒンジ部等が破断する虞がある。このため、信頼性を得ることが困難であった。

0006

上述した問題を解決して、走査部の走査角度を大きくするための技術として、例えば特許文献1に開示された走査装置がある。図14は、特許文献1に記載の走査装置を説明するための図である。
図14に示す走査装置では、図示しない光源から出射側にかけて、走査部131、集光レンズG1及び発散レンズG2が配置されている。これらは、集光レンズG1の出射側の焦点位置f1と、発散レンズG2の入射側の焦点位置f2とが一致するように配置されている。この構成によれば、発散レンズG2から出射されるレーザー光の出射角θ2を、走査部131から集光レンズG1に入射するレーザー光の入射角θ1よりも大きくすることができる。その結果、被投射面(不図示)上で大きな走査範囲を得ることができる。

0007

このような走査型画像表示装置では、ピントを調節できる範囲が広げ、かつ高精細な画像を表示するために、被投射面上にビームウエストを配置するような構成がある(例えば、特許文献2参照)。

先行技術

0008

日本国特開2005−18040号公報
日本国特開2003−21800号公報

発明が解決しようとする課題

0009

近年、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上にビームウエストを配置して、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像を表示するための技術が開発されている。

0010

図15Aに示す画像表示装置では、焦点距離f2の発散レンズ142が、A点と、B点との間に配置されている。A点は、焦点距離f1の集光レンズ141の出射側の焦点である。B点は、A点から光源側に焦点距離f2だけ移動させた点である。A点とB点との間で集光レンズ141と発散レンズ142との相対距離を変化させることで、被投射面143上にビームウエストが配置されるように調整できると考えられる。

0011

しかしながら、図15Aに示す構成において、集光レンズ141と発散レンズ142との距離を変えると、この距離の変化に応じて発散レンズ142から出射される出射角、すなわち走査角が変動してしまう。
具体的には、図15Bに示すように、被投射面143が発散レンズ142から遠い場合、図15C示すように、被投射面143が近い場合に比べて、走査角θ’が小さくなる。このことは、投射距離に比例して画像が大きく投射されるという走査型画像表示装置の利点を損ねてしまう原因となる。

0012

図15Dに示すように、走査角θ’の異なる2つのビーム144,145は光路長が異なる。この場合、光路長の異なるビーム(例えば、ビーム144,145)のビームウエストを、ともに被投射面143上に配置するために、例えば、走査角θ’の変動に同期して集光レンズ141と発散レンズ142との距離を変える制御をすることが考えられる。ところが、このように構成すると、走査角θ’の拡大率(走査部131から集光レンズ141に入射する入射角に対する発散レンズ142からの出射角)まで変化してしまう。そのため、ビームウエスト調整と走査角調整とを独立に制御することが困難であるという問題がある。そのため、被投射面143上の全画面でピントのあった高精細な画像表示簡易に行うのが困難であった。

0013

本発明は、上述した問題に鑑みてなされた。本発明の目的の一例は、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる走査装置、画像表示装置、及びその制御方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0014

上記問題を解決するために、本発明による光源から出射されたビームを走査する走査装置は、前記光源から出射されたビームを集光するビーム集光部と、前記ビーム集光部の出射側に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを発散させるビーム発散部と、前記ビーム集光部と前記ビーム発散部との間に配置され、前記ビーム集光部により集光したビームを走査する第1の走査部と、前記第1の走査部の走査角に応じて前記ビーム集光部及び前記ビーム発散部のうち、少なくとも一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させる移動部とを備えている。

発明の効果

0015

本発明によれば、第1の走査部の出射側にビーム発散部を配置することで、第1の走査部からビーム発散部に入射するビームの入射角よりも、ビーム発散部から出射する出射角を大きくすることができる。そのため、被投射面での走査範囲を第1の走査部の走査角よりも大きくすることができる。
特に、第1の走査部の走査角に応じてビーム集光部及びビーム発散部のうち、何れか一方をそれぞれの光軸方向に沿って移動させることで、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。

図面の簡単な説明

0016

本発明の第1実施形態における走査装置の構成を示した概略構成図である。
図1に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の動作原理を説明するための説明図である。
図1に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の動作原理を説明するための説明図である。
本発明の第1実施形態におけるレンズ間隔DとバックフォーカスBFとの関係を示すグラフである。
図1に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の走査角拡大倍率を説明するための説明図である。
本発明の第1実施形態における間隔sと走査角拡大倍率β/αの関係を示したグラフである。
本発明の第1実施形態における画像表示装置を示す概略構成図である。
本発明の第1実施形態における画像表示装置を示す概略構成図である。
本発明の第1実施形態における画像表示装置の動作を説明するための説明図である。
本発明の第1実施形態における画像表示装置の動作を説明するための説明図である。
本発明の第1実施形態における画像表示装置の動作を説明するための説明図である。
本発明の第1実施形態における画像表示装置の他の動作を説明するための説明図であり、画像表示装置の要部を示す拡大図である。
本発明の第1実施形態における画像表示装置の他の動作を説明するための説明図であり、発散レンズの移動量と垂直走査部の走査角度とのタイミングチャートである。
本発明の第2実施形態の走査装置の構成を説明するための図であり、走査装置の概略構成図である。
本発明の第2実施形態の走査装置の構成を説明するための図であり、走査部の概略構成図である。
本発明の第3実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図であり、走査装置の平面図である。
本発明の第3実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図であり、走査装置の斜視図である。
本発明の第4実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
本発明の第5実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
本発明の第5実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
本発明の他の実施形態の構成を示す走査装置の概略構成図である。
従来の走査装置を説明するための図である。
従来の走査装置を説明するための図である。
従来の走査装置を説明するための図である。
従来の走査装置を説明するための図である。
従来の走査装置を説明するための図である。

実施例

0017

次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
(第1実施形態)
(走査装置)
図1は、本発明の第1実施形態における走査装置の構成を示した概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態の走査装置10は、レーザー光源5と、集光レンズ(ビーム集光部)1と、走査部(第1の走査部)2と、発散レンズ(ビーム発散部)3と、移動部4とを備えている。レーザー光源5は、レーザー光(ビーム)を出射する。集光レンズ1は、レーザー光源5で出射されたレーザー光を集光する。走査部2は、集光レンズ1から出射したレーザー光が入射され、レーザー光を走査する。発散レンズ3は、走査部2によって走査されたレーザー光を発散させる。移動部4は、集光レンズ1及び発散レンズ3をそれぞれの光軸方向に沿って独立して移動させる。

0018

この走査装置10では、レーザー光源5から出射されたレーザー光が、集光レンズ1によって集光され、走査部2に走査された後、発散レンズ3で発散され、焦点面6上に投射される。

0019

図2Aおよび図2B図1に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の動作原理を説明するための説明図である。以下の動作は発散レンズ3と走査部2との間隔sを一定に維持した状態で、集光レンズ1のみを移動させる動作である。このため、図2Aおよび図2Bにおいては発散レンズ3の移動部4の図示を省略している。
図2Aにおいて、集光レンズ1と発散レンズ3とのレンズ間隔(レーザー光の光軸上の間隔)はD、走査部2と発散レンズ3との間隔はsに設定されている。この場合、発散レンズ3から焦点面6までの距離、すなわちバックフォーカスはBFになっている。
図2Bにおいては、図2Aの状態に対して、走査部2と発散レンズ3との間隔sを一定に維持する一方、移動部4によって集光レンズ1を光軸方向における出射側に移動させている。この場合、集光レンズ1と発散レンズ3とのレンズ間隔はD’(D>D’)に設定されている。

0020

集光レンズ1と発散レンズ3との間隔が、図2Aにおけるレンズ間隔Dから図2Bにおけるレンズ間隔D’に変化すると、バックフォーカスはBFからBF’へと変化して焦点距離が変化する(BF<BF’)。集光レンズ1及び発散レンズ3の焦点距離をそれぞれfd,fcと表記するこの場合、レンズ間隔DとバックフォーカスBFとの関係は以下の数式1で表される。

0021

0022

図3は、集光レンズ1の焦点距離fcが40mm、発散レンズ3の焦点距離fdが−27mmである場合における、レンズ間隔DとバックフォーカスBFとの関係を示すグラフである。
図3に示すように、上述した数式1に基づいて、レンズ間隔Dを例えば14mmから16mmへと2mmだけ移動させると、バックフォーカスBFは700mmから220mmと大きく変化していることがわかる。

0023

図4は、図1に示す走査装置に相当する走査装置の概略構成図であり、走査装置の走査角拡大倍率を説明するための説明図である。なお、走査角拡大倍率とは走査部2から出射されるレーザー光11と、発散レンズ3の光軸13とのなす角度(走査部2の走査角)αに対する、発散レンズ3から出射されるレーザー光12と、光軸13とのなす角度(発散レンズ3からの出射角)βの倍率である(β/α)。
図4に示すように、レーザー光12及び光軸13の交点14と発散レンズ3との間隔をs’とすると、間隔s’、角度α、及び角度βの関係は以下の数式2及び数式3で表せられる。そして、数式2及び数式3からs’を消去すると、数式4を得ることができる。

0024

0025

0026

0027

発散レンズ3の焦点距離fdが固定であれば、数式4より走査角拡大倍率は走査部2と発散レンズ3の間隔sのみに依存することがわかる。そこで、本実施形態では、発散レンズ3を固定し、移動部4によって集光レンズ1を光軸方向に沿って移動させることで、間隔sを一定に維持した状態でレンズ間隔Dを可変にする。そのため、レンズ間隔Dを可変にしても走査角拡大倍率β/αは変化しない。

0028

図5は、図3と同様の条件である集光レンズ1の焦点距離fcを40mm、発散レンズ3の焦点距離fdを−27mmにした場合の、間隔sと走査角拡大倍率β/αの関係を示したグラフである。
図5に示すように、例えば、間隔sを14mmとすると、走査角拡大倍率β/αは約1.5倍となる。この状態において、集光レンズ1を移動させてレンズ間隔Dを例えば14mmから16mmへと2mmだけ移動させると、走査角拡大倍率β/αは1.5倍のまま、図3で示したとおりバックフォーカスBFは700mmから220mmと変化させることができる。

0029

(画像表示装置)
図6Aおよび図6Bは、本実施形態の画像表示装置を示す概略構成図である。
図6Aに示すように、本実施形態の画像表示装置50は、上述した走査装置10と、信号処理装置信号処理部)21と、駆動装置22とを備えている。信号処理装置21は、映像信号23を変調信号24と同期信号25とに分離する。駆動装置22は、信号処理装置21から出力される同期信号25に基づいて移動部4を駆動させる。同期信号25は、走査部2の走査角αに応じて移動部4を駆動させる。本実施形態の画像表示装置50において、画像精細度は水平1280画素、垂直1024画素に設定され、画面サイズは投射距離100cmにおいて水平160cm、垂直120cmに設定されている。しかしながら、画像精細度は他の画素数を適用してもよい。

0030

図6Bに示すように、レーザー光源5は、赤色レーザー32と、緑色レーザー33と、青色レーザー34と、色合成部35とを備えている。赤色レーザー32は、赤色のレーザー光を発生させる。緑色レーザー33は、緑色のレーザー光を発生させる。青色レーザー34は、青色のレーザー光を発生させる。色合成部35は、各レーザー32〜34の出力光を合成するダイクロックミラー等であってもよい。

0031

赤色レーザー32には波長640nmの半導体レーザー、青色レーザー33には波長440nmの半導体レーザーが好適に用いられている。赤色レーザー32、青色レーザー33の変調電流制御によって行われる。
緑色レーザー34には、波長1064nmの赤外レーザーの第2高調波532nmによるレーザー光源が好適に用いられている。緑色レーザー34の変調には音響光学素子が用いられている。この他に、緑色レーザー34の変調は赤外レーザーを変調して第2高調波に変換する方法を用いてもよく、ファイバーレーザーや、半導体レーザー等を用いても構わない。各レーザー32〜34のビーム直径は900μm程度である。
半導体レーザーを光源とする場合、スペックルを低減する目的で、レーザー光源の映像変調電流高周波電流(例えば、周波数300MHz程度)を重畳しても構わない。
レーザーの強度変調は、グレーティングMEM変調器導波路型変調器、電気光学結晶等、各種光変調器等を用いることが可能である。レーザーの強度変調は1画素を走査する時間内で、パルス幅変調をして行ってもよい。レーザー32〜34は、走査部2と同期して画素クロック(12.7nsec)の1/6以下の2nsec単位で発光タイミング強度制御を行う。

0032

走査部2を水平走査させる場合には、走査部2として共振型マイクロメカニカル走査素子を用いる。共振型マイクロメカニカル走査素子は、往復走査で使用し、振れ角±20°、周波数31KHzで駆動させる。共振型マイクロメカニカル走査素子としては、31KHzの駆動に耐えられる直径1400μmのサイズの円形ミラーを用いることが好ましい。
走査部2を垂直走査させる場合には、走査部2としてガルバノミラーを用いる。ガルバノミラーは、振れ角±15°、60Hzのノコギリ波で駆動させる。この場合、ガルバノミラーとしては、1500μm×6000μm程度のサイズの矩形ミラーを用いることが好ましい。

0033

水平走査、垂直走査には、音響光学素子、電気光学結晶等を用いてもよく、フォトニック結晶を用いたプリズム等で触れ角を増大させる光学系を備えてもよい。水平走査、垂直走査の素子ビーム偏向部(ミラー等)の大きさは、コリメートされたビーム径より大きければ他のサイズ・形状であってもよい。

0034

本実施形態の画像表示装置50では、信号処理装置21に映像信号23が入力されると、信号処理装置21にて映像信号23は変調信号24と同期信号25とに分離される。変調信号24はレーザー光源5に入力され、同期信号25に同期してレーザー光源5を変調する。同期信号25は駆動装置22に入力され、同期信号25のタイミングに応じて移動部4を駆動する。

0035

(画像表示装置の動作方法
図7A〜7Cは上述した画像表示装置の動作を説明するための説明図である。以下の説明では、走査装置10によってレーザー光を垂直走査する場合について説明する。すなわち、図7A〜7Cに示す走査装置10では、集光レンズ1と発散レンズ3とを互いの光軸が直交するように配置するとともに、各レンズ1,3の光軸の交点に垂直走査部71を配置している。符号72は発散レンズ3から出射されるレーザー光を投射する被投射面である。集光レンズ1の焦点距離fcは40mm、発散レンズ3の焦点距離fdは−27mmである。

0036

図7Aに示す状態は、集光レンズ1から出射されて垂直走査部71によって偏向される向き(発散レンズ3からの出射角β)が0°の場合である。この場合、発散レンズ3から被投射面72までの光路長l1は、発散レンズ3から水平方向(光軸方向)に沿って300mmとなっている。この被投射面72の位置は、走査角αが0°の場合におけるバックフォーカスBFに一致するように配置されている。図7Aにおいて、集光レンズ1と発散レンズ3とのレンズ間隔(光軸上の間隔)Dは、15.2mmに設定されている。

0037

図7Bの状態は、垂直走査部71によって偏向される向き(発散レンズ3からの出射角β)が60°の場合である。この場合の発散レンズ3から被投射面72までの光路長l2は600mmとなる。
そのため、図7Bの状態において、数式1及び図3に基づいて、レンズ間隔Dを15.2mmから14.2mmへ1mm(符号m)だけ集光レンズ1を発散レンズ3側(集光レンズ1の出射側)に移動させる。すると、バックフォーカスBFは300mmから600mmへと変化し、ビームウエストを被投射面72上に配置することができる(図3参照)。

0038

図7Cは集光レンズの移動量と垂直走査部の走査角度とのタイミングチャートである。図中Tvは、垂直走査素子71の走査期間(周期)を示している。
このように、本実施形態では、図7Cに示すように、垂直走査部71と同期して集光レンズ1を数式1に従って移動させると、常にビームウエストを被投射面72上に配置することが可能となる。

0039

集光レンズ1を移動させる移動部4には、ボイスコイルモータ等を用いることができる。数式1で示される設計条件であれば、集光レンズ1、発散レンズ3の焦点距離fd、集光レンズ1の移動量mは適宜変更することができる。移動部4としては、ボイスコイルモータ等の磁気アクチュエータの他に、ピエゾ素子等の静電アクチュエータを用いてもよい。

0040

したがって、本実施形態によれば、垂直走査部71(走査部2)の出射側に発散レンズ3を配置することで、垂直走査部71から発散レンズ3に入射するレーザー光の入射角よりも、発散レンズ3から出射する出射角を大きくすることができる。そのため、被投射面72での走査範囲を垂直走査部71の走査角よりも大きくすることができる。
特に、集光レンズ1と発散レンズ3との間に垂直走査部71を配置し、垂直走査部71の走査角αに応じて集光レンズ1を移動させることで、上述したように走査角拡大倍率(β/α)を変化させずに、被投射面72にビームウエストを配置することができる。
すなわち、被投射面72にビームウエストを配置するために、集光レンズ1と発散レンズ3との距離を変化させたとしても、垂直走査部71で反射されて発散レンズ3に入射するレーザー光の入射角は変化しない。そのため、垂直走査部71の走査角αに対する、発散レンズ3から出射されるレーザー光の出射角βが変化することはない。その結果、垂直走査部71の走査角調整と集光レンズ1の移動によるビームウエスト調整とを同期させて行うことができる。よって、被投射面72上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面72上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。

0041

図8Aおよび図8Bは画像表示装置の他の動作を説明するための説明図である。図8Aは画像表示装置の要部を示す拡大図である。図8Bは発散レンズの移動量と垂直走査部の走査角度とのタイミングチャートである。
走査変位P1,P2は、垂直走査部71の単位走査角に対する被投射面72上における単位時間辺りの走査変位である。図8Aおよび図8Bに示すように、走査変位P1,P2が等間隔となるように、発散レンズ3の位置を移動させることで、走査における画像歪み補正することができる(矢印R)。この場合、走査変位P1,P2は走査角拡大後の角度β(発散レンズ3からの出射角β)の正接である。角度βは走査変位の逆正接関数で求められる。角度βの制御は、発散レンズ3と走査部71との間隔sを数式4にしたがって制御し、走査角拡大倍率(β/α)を変化させることで行う。上述した図7A〜7Cで示される動作と図8Aおよび図8Bで示される動作とを同時に行っても構わない。この場合、集光レンズ1を走査変位P1,P2に応じて数式1に従って移動させる。

0042

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図9Aおよび図9Bは本発明の第2実施形態の走査装置の構成を説明するための図である。図9Aは走査装置の概略構成図である。図9Bは走査部の概略構成図である。
図9Aおよび図9Bに示すように、第2実施形態の走査装置200では、集光レンズ1よりも出射側において、偏光分離面91aを備えた偏光ビームスプリッタ91が配置されている。集光レンズ1よりも出射側において、偏光ビームスプリッタ91を間に挟むように走査部2及び発散レンズ3が配置されている。この場合、発散レンズ3の光軸は、偏光分離面91aにおいて集光レンズ1の光軸と直交するように配置されている。すなわち、偏光ビームスプリッタ91における集光レンズ1との対向面に垂直な面と平行に走査部2及び発散レンズ3が配置されている。偏光ビームスプリッタ91と走査部2との間には、1/4波長板92が配置されている。

0043

本実施形態の走査部2には、図9Bに示すように、ジンバル走査ミラーが用いられている。この走査部2は、枠体95と、走査ミラー93と、一対の第1ヒンジ94aと、一対の第2ヒンジ94bとを備えている。枠体95は、平面視矩形状を有する。走査ミラー93は、円形状を有し、枠体95の中心に配置されている。一対の第1ヒンジ94aは、枠体95における対向する辺の中心からそれぞれ枠体95の中心に向かって延在し、走査ミラー93を支持する。一対の第2ヒンジ94bは、枠体95の外側に向かって第1ヒンジ94aの延在方向に直交するように延在する。このような、走査部2では、第1ヒンジ94a周りに走査ミラー93を回動させるとともに、第2ヒンジ94b周りに枠体95を回動させることで、水平走査・垂直走査を1つの走査ミラー93で行うことができる。第1ヒンジ94a周りが、水平走査方向hである。第2ヒンジ94b周りが、垂直走査方向vである。走査ミラー93の直径は1000μm程度に形成されている。

0044

本実施形態において、レーザー光源5から出射するレーザー光は、偏光ビームスプリッタ91の偏光分離面91aに対してS偏光であり、偏光分離面91aで反射されたレーザー光は1/4波長板92を通過することで右回り円偏光になる。
その後、走査部2の走査ミラー93で反射したレーザー光は左回り円偏光になり、再び1/4波長板92を通過する。すると、1/4波長板92を通過したレーザー光は偏光ビームスプリッタ91の偏光分離面91aに対してP偏光となり、偏光分離面91aを透過する。偏光ビームスプリッタ91を透過したレーザー光は、発散レンズ3に入射する。

0045

本実施形態によれば、上述した第1実施形態と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態によれば、レーザー光が走査ミラー93に対して垂直入射するため、上述した第1実施形態の垂直走査部71のように、斜めに入射することがない。そのため、走査ミラー93に入射するレーザー光のビーム直径を縮小することができ、走査ミラー93のサイズを小型化できる。そして、走査ミラー93のサイズを小型化することで、走査部2に作用する慣性モーメントを減少できる。その結果、走査ミラー93の走査周波数や、振れ角等を向上させ、高精細な画像を表示することが可能となる。
また、本実施形態では偏光ビームスプリッタ91により、集光レンズ1と発散レンズ3との間の光路が折り返されているため、走査装置全体を小型化できるという効果もある。

0046

走査ミラー93に垂直入射させることを目的として、図14に示す従来の構成において、走査部131の出射側に偏光ビームスプリッタを配置しても、偏光ビームスプリッタの後に集光レンズG1と発散レンズG2を配置する必要がある。このため、本発明の実施形態のような小型化の効果は得られない。

0047

(第3実施形態)
次に本発明の第3実施形態について説明する。
図10Aおよび図10Bは第3実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。図10Aは、第3実施形態の走査装置の平面図である。図10Bは、第3実施形態の走査装置の斜視図である。
図10Aに示すように、第3実施形態の走査装置210においては、水平走査部(第1の走査部)101と、垂直走査部(第2の走査部)102とが、偏光ビームスプリッタ91を間に挟んで対向配置されている。水平走査部(第1の走査部)101は、回動軸103周りに回動可能に支持されてレーザー光を水平走査する。垂直走査部102は、回動軸104周りに回動可能に支持されてレーザー光を垂直走査する。本実施形態において、水平走査部101には、直径1000μm程度の走査ミラー105を有する共振型マイクロメカニカル走査素子が用いられている。垂直走査部102には、サイズが1500μm×6000μmのガルバノミラー106が用いられている。
垂直走査部102の出射側には、水平走査部101の光軸方向に直交するように発散レンズ3が配置されている。

0048

本実施形態によれば、上述した第2実施形態と同様に、水平走査部101の走査ミラー105へレーザー光が垂直入射するため、走査ミラー105のサイズを小型化できる。
また、走査ミラー105のサイズの小型化に伴い、走査ミラー105に作用する慣性モーメントを減少でき、走査ミラー105の走査周波数、振れ角等が向上し、高精細な画像を表示することが可能となる。
また、本実施形態では偏光ビームスプリッタ91により、集光レンズ1と発散レンズ3との間の光路が折り返されているため、走査装置全体を小型化できる。

0049

(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
図11は第4実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
図11に示すように、第4実施形態の走査装置220は、偏光ビームスプリッタ91と、集光レンズ1と、発散レンズ3と、水平走査部101と、垂直走査部102と、1/4波長板92と、1/4波長板93とを備えている。集光レンズ1と発散レンズ3とは、偏光ビームスプリッタ91を間に挟んで対向配置される。水平走査部101及び垂直走査部102は、偏光ビームスプリッタ91を間に挟んで集光レンズ1及び発散レンズ3の光軸に直交するように配置されている。1/4波長板92は、水平走査部101と偏光ビームスプリッタ91との間に配置されている。1/4波長板93は、垂直走査部102と偏光ビームスプリッタ91との間に配置されている。

0050

レーザー光源5から出射するレーザー光は偏光ビームスプリッタ91の偏光分離面91aに対してS偏光である。偏光分離面91aで反射されたレーザー光は1/4波長板92を通過することで右回り円偏光になる。
その後、水平走査部101の走査ミラー105で反射したレーザー光は左回り円偏光になり、再び1/4波長板92を通過する。すると、1/4波長板92を通過したレーザー光は偏光ビームスプリッタ91の偏光分離面91aに対してP偏光となり、偏光分離面91aを透過する。そして、偏光ビームスプリッタ91を透過したレーザー光は1/4波長板93を透過し、左回り円偏光になる。垂直走査部102の走査ミラー106で反射したレーザー光は右回り円偏光になり、再び1/4波長板93を通過し、S偏光となる。
そして、S偏光となったレーザー光は偏光ビームスプリッタ91で反射し、発散レンズ3に入射する。

0051

本実施形態によれば、上述した第3実施形態と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態によれば、2つの走査部101,102同士が偏光ビームスプリッタ91を間に挟んで対向配置しているため、装置実装が容易である。

0052

(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について説明する。
図12Aおよび図12Bは第5実施形態の走査装置の構成を説明するための概略構成図である。
図12Aに示すように、本発明の第5実施形態の走査装置230は、集光レンズ1と水平走査部101との間に、ミラー121を配置した構成である。ミラー121は、ミラー121から反射して水平走査部101に入射するレーザー光の入射角γが45°以下(本実施形態では、例えばγ=30°)になるように配置されている。図12Aにおいて、δ=60°、ε=15°である。

0053

図12Bに示すように、本実施形態のレーザー光源5は、偏光ビームスプリッタ(光合成部)191と、レーザー(第1の光源、第2の光源)122,133とを備えている。偏光ビームスプリッタ191は、偏光分離面191aを有する。レーザー122,133は、偏光ビームスプリッタ191に向けてレーザー光を出射する。この場合、レーザー122は偏光分離面191aに対してP偏光となり、レーザー123は偏光分離面191aに対してS偏光となる。すなわち、本実施形態のレーザー光源5は、偏光方向が直交する2つのレーザー光が偏光ビームスプリッタ191で合成された後、集光レンズ3に入射する。

0054

上述した第2〜第4実施形態では、水平走査部101の走査ミラー105をなるべく小さくするために、偏光ビームスプリッタ91を用いて入射角0°で入射(垂直入射)する構成とした。この場合、レーザー出力の増加を図るために、偏光ビームスプリッタ91に2つのレーザーを入射させ、これらレーザーのレーザー光を合成することが考えられる。しかしながら、この構成では、偏光ビームスプリッタ91の偏光分離面91aにおいて、レーザーが分離してしまい、レーザー出力の増加は望めない。
これに対して、本実施形態によれば、集光レンズ1に入射する前段で2つのレーザー光を合成し、合成したレーザー光を分離せずにミラー121により反射させるため、レーザー出力を増加させた上で、投射面72(図7A〜7C参照)上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。
また、本実施形態では、水平走査部101にレーザー光を入射角45°以下で入射させるので、ミラー121の大型化を防いだ上で、高精細かつ高輝度の画像表示を行うことができる。
さらに、本実施形態では、偏光方向の異なる2つのレーザー光が合成されているため、レーザー特有スペックルノイズが小さく、観察者への違和感の小さい画像を提供できる。

0055

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば第1実施形態において、移動部4によって集光レンズ1と垂直走査部71との距離を変化させる場合について説明したが、この構成に限られない。例えば、図13に示すような周方向に沿って厚さが異なるように形成されたガラスからなる回転ホイール211(w1:ガラス厚小、w2:ガラス厚大)を用い、この回転ホイール211を回転軸X回りに、回転させることで、光路長を切り替えても構わない。ホモジニアス配向液晶等を用いて電気的に光路長を変える電気光学素子を用いてもよい。
上述した第2〜5実施形態の走査装置200,210,220,230の動作は第1実施形態の走査装置10と同様である。これら走査装置200,210,220,230を用いて、第1実施形態と同様の投射型画像表示装置50を構成してもよい。

0056

この出願は、2009年12月14日に出願された日本出願特願2009−283219を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

0057

本発明は、走査装置、画像表示装置及びその制御方法に適用できる。これらの走査装置、画像表示装置及びその制御方法によれば、被投射面上での走査範囲を大きく確保した上で、被投射面上の全画面でピントの合った高精細な画像表示を行うことができる。

0058

1集光レンズ(ビーム集光部)
2走査部(第1の走査部)
3発散レンズ(ビーム発散部)
4 移動部
5レーザー光源(光源)
21信号処理装置(信号処理部)
71,102垂直走査部(第1の走査部)
72 被投射面
91偏光ビームスプリッタ
92 1/4波長板
101水平走査部(第2の走査部)
122レーザー(第1の光源)
123 レーザー(第2の光源)
191 偏光ビームスプリッタ(光合成部)

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