光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置
【課題】反射ミラー面の反復偏向手段によって光ビームを２次元的に走査することで投射スクリーン上に２次元画像を投影表示する機能を備えた走査型画像表示装置において、反射ミラー面の２次元反復偏向駆動に起因する大きな画像歪を良好に補正する。
【解決手段】光ビーム走査用偏向ミラー装置９と投射スクリーン２０の間の反射光ビーム光路中に、光ビーム入射側の光学面１１と光ビーム出射側の光学面１２との相対傾き角がδとして規定されたくさび型プリズム１０を配置する。
【解決手段】光ビーム走査用偏向ミラー装置９と投射スクリーン２０の間の反射光ビーム光路中に、光ビーム入射側の光学面１１と光ビーム出射側の光学面１２との相対傾き角がδとして規定されたくさび型プリズム１０を配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置に関する。
【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光ビーム走査装置または走査型画像表示装置が種々提案されている。
【０００３】
このような走査型画像表示装置において、前記光源から出射した光ビームを２次元的に偏向する偏向手段としては、ガルバノミラーや、特に近年技術的な進歩が目覚しく注目を集めているＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ-ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いたＭＥＭＳミラーデバイスなどに代表される反射型光ビーム偏向走査素子または装置が広く用いられている。
【０００４】
しかしながら一方で、このような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てしまうという問題がある。
【０００５】
すなわち、前記のような光ビーム走査装置あるいは走査型画像表示装置において２次元画像を高品位に表示するためには、前記のような光ビームの走査に伴う画像歪みを良好に除去あるいは補正するための手段が必須となる。
【０００６】
このような画像歪みの補正手段あるいは装置としては、例えば特許文献１で開示されている『第１走査方向において正弦波駆動する偏向器を有し、該走査光学系を構成する１つの光学面は、第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に変化する形状で、該形状が該第２走向に連なっていることを特徴とする光走査装置』等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１７８３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記公知例で開示されているような従来の画像歪み補正技術は、前記画像歪みの削減に関してはある程度の効果は期待できるものの、歪み補正用の光学系として自由曲面形状を備えた３枚の光学反射面もしくはレンズ面を必要とし、その大型化、複雑化が免れない。
【０００９】
以上のような状況に鑑み、本発明では、ごく簡単な光学系構成によって前記画像歪み補正を実現した光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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】
【００１１】
本発明によれば、小型かつごく簡略な光学素子を用いることで、前記のような画像歪みを良好に補正できる光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光ビーム走査型画像表示装置に関する第１の実施例を示す概略側面図
【図２】従来の光ビーム走査型画像表示装置で投影される画像の一例を示した平面図
【図３】偏向ミラーからの初期反射光軸の仰角と歪み率ＲＭＳ値Ｄおよび画像歪み補正プリズムの最適頂角δの関係の一例を示した線図
【図４】本発明の画像歪み補正プリズムを搭載した光ビーム走査型画像表示装置で投影される画像の一例を示した平面図
【図５】偏向ミラー入射光軸の初期入射角度と偏向ミラー初期反射光軸の最適仰角および画像歪み補正プリズムの最適頂角δの関係の一例を示した線図
【図６】本発明の画像歪み補正プリズムに関する第２の実施例を示した概略側面図
【図７】本発明の光ビーム走査型画像表示装置に関する第３の実施例を示す概略側面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施例について以下各図を用いて説明する。なお当然のことながら、本発明は以下で説明する実施例の構成にのみ限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明における光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置に関する第１の実施例を示した概略側面図である。なお図中の一点鎖線は、光ビームの光軸を表す。
【００１５】
本実施例における光ビーム走査装置は、画像表示用の光ビームを生成、出射する光源ユニット１００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９と、後述するような画像歪み補正用のくさび形プリズム１０を主要光学部品として構成されている。
【００１６】
まず光源ユニット１００の構成について簡単に説明する。光源ユニット１００内には、互いに波長が異なる３個のレーザ光源１，２および３が配置されている。
【００１７】
１は例えば波長５２０ｎｍ帯の緑色光ビーム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１を出射した緑色光ビームは、コリメートレンズ４にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー７に入射する。
【００１８】
２は例えば波長６４０ｎｍ帯の赤色光ビーム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２を出射した赤色光ビームも、前記の半導体レーザ光源１から出射した緑色光ビームと同様、コリメートレンズ５にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー７に入射する。
【００１９】
平板ミラー７は、前記半導体レーザ光源１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２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７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平板ミラー８に入射する。
【００２０】
一方、３は例えば波長４４０ｎｍ帯の青色光ビーム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３を出射した青色光ビームは、コリメートレンズ６にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー８に入射する。
【００２１】
平板ミラー８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。
【００２２】
そして、この第２の波長選択性ミラー８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同一の光ビームとして進行す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１００を出射し、光ビーム走査用の偏向ミラー装置９に入射する。
【００２３】
なお、この光源ユニット１００については、当然ながら前記の構成に限定されるものではなく、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。
【００２４】
次に光ビーム走査用の偏向ミラー装置９は、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を反射させて、その反射光ビームを該偏向ミラー装置９から所定距離離れた投射スクリーン２０上に投射するとともに、該反射ミラー面自体が紙面に略垂直すなわち図中のＹ軸に略平行な所定の回転軸９１、および紙面に平行すなわち図中のＸ−Ｚ軸で形成される平面に略平行な所定の回転軸９２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。
【００２５】
そしてその結果、投射スクリーン２０上に投射された反射光ビームは前記投射スクリーン２０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次元に高速走査される。
【００２６】
この際、投射スクリーン２０上における反射光ビームの走査位置に同期して前記各レーザ光源１、２および３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て２次元のカラー画像を投射スクリーン２０上に投射表示させるのである。
【００２７】
ところで、本実施例では前記したように、光ビーム走査用の偏向ミラー装置９は互いに垂直な回転軸３０および３１の回りに高速反復偏向駆動する１個の反射ミラーから構成されている。このような構成の偏向ミラー装置９を一般に２軸１面型の偏向ミラー装置と称する。
【００２８】
このような２軸１面型の偏向ミラー装置を用いることは、走査型画像表示装置の小型化あるいは光学部品点数の削減の観点から極めて有利であり、今後広く用いられる可能性があるが、本発明はこのような２軸１面型の偏向ミラー装置を用いた走査型画像表示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個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を備えた一般に１軸２面型の偏向ミラー装置と呼ばれる装置など他の偏向形式、構成の光ビーム走査用偏向ミラー装置を用いた光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置にも本発明を適用することができる。
【００２９】
なお、上記のような光ビーム走査用偏向ミラー装置９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の詳細な説明は省略する。
【００３０】
ところで図１に示した本発明の第１の実施例では、光ビーム走査用偏向ミラー装置９と投射スクリーン２０の間の反射光ビーム光路中に、くさび型プリズム１０が配置されているが、このくさび型プリズム１０は画像歪み補正用の光学プリズムである。
【００３１】
なお本実施例では、設置されている画像歪み補正用のくさび型プリズム１０は、図中に示すように光ビーム入射側の光学面１１と光ビーム出射側の光学面１２との相対傾き角がプリズム頂角δとして規定されており、かつ光ビーム出射側光学面１２が垂直方向（図中のＺ軸方向）に略平行になるよう配置されている。
【００３２】
以下では、この画像歪み補正用プリズムの具体的構成とその画像歪み補正効果について説明する。
【００３３】
まず初めに、本発明のような画像歪み補正手段を何も設けていない従来の光ビーム走査型画像表示装置における画像歪み問題について説明する。
【００３４】
例えば図２は、水平方向に±１４度、垂直方向に±７度の偏向角で反射ミラーが高速反復偏向する機能を備えた光ビーム走査用偏向ミラー装置９を用い、この偏向ミラー装置９から１ｍ離れた位置において垂直方向に平行なスクリーン面を備えた投射スクリーン２０上に単純な長方形枠を表示させた場合に、実際に描かれる画像を計算機シミュレーションで再現したものである。
【００３５】
なお計算機シミュレーションにより画像を再現表示するに当たっては、前記偏向ミラー装置９に入射する光ビームが水平方向（図１のＸ軸方向）に平行で、かつ初期状態すなわち前記偏向ミラー装置９内の反射ミラーが中立状態にある場合の該反射ミラー面への入射光ビームの入射角（図１におけるβ）を１５度としてシミュレーションをおこなった。この場合は必然的に、前記偏向ミラー装置９を反射し投射スクリーン２０の原点Ｏに向かう初期反射光ビーム５０の水平方向（図１のＸ軸方向）からの仰角（図１におけるα）は３０度になっている。
【００３６】
また従来の光ビーム走査型画像表示装置の性能を再現するため、本図は画像歪みを補正するための手段は一切設けていない場合の画像を示している。
【００３７】
本図において、横軸は水平方向（図１におけるＹ軸方向に相当）の画像寸法、縦軸は垂直方向（図１におけるＺ軸方向に相当）の画像寸法を表す。
【００３８】
また図中の実線が実際に表示される長方形枠の画像を示しており、破線は本来表示されるべき理想的な長方形枠の画像を示している。
【００３９】
本図から明らかなように、偏向ミラー装置９により光ビームを２次元に走査させて表示された長方形枠の画像は、例えば上辺と下辺の長さが異なるために台形状になってしまっており、かつ本来真っ直ぐな直線で描かれるべき各辺が円弧状の曲線になってしまっている。
【００４０】
その結果表示画像に大きな歪みが生じ、表示された長方形枠の４隅頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の表示位置が理想的な表示位置、すなわち破線で表される理想的な長方形枠画像の４隅頂点位置から大きくずれてしまっている。
【００４１】
このような大きな画像歪みがあると、当然その表示画像の形状が正しく表示されないことになりその画像品質が大きく損なわれる。したがってこのような画像歪みは極力削除もしくは補正することが望ましい。
【００４２】
そこでまず初めに、このような画像歪みの大きさを定量的に把握するための評価指標を以下のように定義する。
【００４３】
すなわち図中に示すように、前記した長方形枠画像の４隅頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４各々の理想表示位置からのずれ量のうち、水平方向のずれ成分をそれぞれＨｃ１、Ｈｃ２、Ｈｃ３、Ｈｃ４で、垂直方向のずれ成分をそれぞれＶｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３、Ｖｃ４で表す。その上で前記各ずれ成分を理想的な長方形枠画像の水平幅Ｌｈまたは垂直幅Ｌｖで割り、前記各ずれ成分を理想長方形枠の表示幅に対する比率で表す。その上でこれら各ずれ成分比率の２乗平均平行根（Root Mean Square略してＲＭＳ値と表示）Ｄを定義する。すなわち、
【００４４】
（数１）
Ｄ＝ＳＱＲＴ[（Ｈｃ１／Ｌｈ）２＋（Ｈｃ２／Ｌｈ）２＋（Ｈｃ３／Ｌｈ）２
＋（Ｈｃ４／Ｌｈ）２＋（Ｖｃ１／Ｌｖ）２＋（Ｖｃ２／Ｌｖ）２
＋（Ｖｃ３／Ｌｖ）２＋（Ｖｃ４／Ｌｖ）２］
上記（数１）で表される歪み率ＲＭＳ値Ｄを用いることで、発生する画像歪みの大きさを定量的に把握することができる。すなわち、この歪み率ＲＭＳ値Ｄの値が大きいほどその画像は画像歪みが大きく、逆にＤの値がゼロに近いほど表示画像は画像歪みが小さく理想的な表示画像に近くなる。例えば図２で表される従来の画像表示装置での表示画像は、歪み率ＲＭＳ値Ｄが約８．４％である。
【００４５】
本発明では、この歪み率ＲＭＳ値Ｄを大幅に低減し表示画像の画像歪みを良好に削減あるいは補正する光学的手段として、図１に示すように、光ビーム走査用偏向ミラー装置９と投射スクリーン２０の間の反射光ビーム光路中に画像歪み補正用のくさび型プリズム１０（以下、簡単のため歪み補正プリズムと記す。）を配置する。
【００４６】
図３は、図１において偏向ミラー装置９から出射した反射光ビームの初期光軸５０の水平方向（図１のＸ軸方向）からの仰角αと、前記歪み率ＲＭＳ値Ｄとの関係を、本発明のように歪み補正プリズム１０が配置された場合と、従来のように画像歪み補正手段が一切配置されていない場合についてプロットしたグラフである。図中の線図５０１が本発明の歪み補正プリズム１０を配置した場合、線図５０２が画像歪み補正手段が一切配置されていない場合を示している。
【００４７】
なお歪み補正プリズム１０を配置した場合については、歪み率ＲＭＳ値Ｄが最小値Ｄｍｉｎをとる歪み補正プリズム１０の最適プリズム頂角δを探索し、そのＤｍｉｎをプロットすると共に、前記最適プリズム頂角δの値も同じグラフ内に線図５０３としてプロットしている。
【００４８】
なお本図において、偏向ミラー装置９内の反射ミラーに入射する光ビームの初期入射角度βは、図２の場合と同じく１５度と仮定している。
【００４９】
また図３で用いる歪み補正プリズム１０は、一例として一般的な光学部品用硝材であるＢＫ−７（屈折率ｎｄ＝１．５１６３３）で構成されているものと仮定している。
【００５０】
本図から明らかなように、歪み率ＲＭＳ値Ｄは歪み補正プリズム１０の有無に関わらず、偏向ミラー装置９から出射した反射光ビームの初期仰角αに依存して変化しそれぞれ所定の仰角で最小値をとる。
【００５１】
例えば歪み補正プリズム１０が配置されていない従来構成の場合、線図５０２内のＡ点すなわち前記仰角α＝０度でＤの値が最小値５．４％となる。
【００５２】
一方、歪み補正プリズム１０を設置した場合、線図５０１が示すように設置していない従来構成に比べて明らかにＤ値が低くなる。さらにこの場合、図中のＢ点すなわち前記初期仰角α＝２２度付近でＤ値が最小値となり、その値は約１．５％となる。
【００５３】
つまり、図１の実施例に示すように歪み補正プリズム１０を配置し、かつ前記仰角を最適角度に設定することで、歪み率ＲＭＳ値Ｄを従来比の約３割程度にまで大幅に低減することができるわけである。
【００５４】
なお前記Ｄ値が最小値約１．５％をとるための歪み補正プリズム１０の最適頂角δは約１４度である。また計算機シミュレーションによる検討の結果、この歪み補正プリズム１０の頂角δが１４度±３度の範囲内であれば、歪み率ＲＭＳ値Ｄが２．０％以下となり、画像歪みが十分に削減されることがわかっている。
【００５５】
図４は、上記のようなプリズム頂角δ＝１４度の歪み補正プリズム１０を偏向ミラー装置９からの反射光路中に配置し、かつ前記初期仰角αを２２度に設定した場合に、投射スクリーン２０上に描かれる長方形枠画像を計算機シミュレーションで再現したものである。なお上記した各パラメータ以外の諸条件は図２と同一とした。
【００５６】
本図と図２を比較すると明らかなように、反射光路中に歪み補正プリズム１０を設置し、該プリズムに入射する反射光ビーム光軸５０の初期仰角αおよびプリズム頂角δを最適設計することにより、発生する画像歪みを大幅に低減することができ、理想的表示画像とほぼ同等の画像品質を得ることできる。
【００５７】
ところで、歪み率ＲＭＳ値Ｄを最小にする前記反射光ビーム光軸５０の初期仰角αの最適値や歪み補正プリズム１０の最適頂角δは、偏向ミラー装置９内の反射ミラーに入射する光ビームの初期入射角βに依存して変化する。
【００５８】
図５は、前記入射光ビームの初期入射角βと歪み率ＲＭＳ値Ｄを最小にする前記反射光ビーム初期仰角αの最適値、および歪み補正プリズム１０の最適頂角δとの関係をプロットしたグラフである。図の横軸が前記初期入射角βであり、縦軸が前記初期仰角αの最適値および歪み補正プリズムの最適頂角δを表している。なお上記以外の諸条件は、図１乃至図４で設定された条件と同一である。
【００５９】
図中の線図６０１が前記初期入射角βと前記初期仰角αの最適値との関係を示しており、線図６０２が前記初期入射角βと歪み補正プリズムの最適頂角δとの関係を示している。
【００６０】
どちらの線図もほぼ直線であり、前記βとαおよびβとδがほぼ比例関係にあることを示している。また夫々の直線を表す式を図中に記載している。
【００６１】
すなわち図１乃至図４の実施例では、いずれも前記初期入射角βが１５度の場合について記述しているが、当然ながら初期入射角βが１５度以外の場合でも本発明を適用することは可能であり、その際の前記反射光ビーム初期仰角αの最適値や歪み補正プリズム１０の最適頂角δは、例えば図５に示す結果を用いて容易に算出することができる。
【００６２】
また図１乃至図５の実施例では、いずれも歪み補正プリズム１０を構成する硝材として、一般的な光学部品用硝材であるＢＫ−７を用いることを想定しているが、もちろんこれ以外の硝材を用いてプリズムを構成しても一向に構わない。
【００６３】
一般に、硝材の屈折率は入射する光ビームの波長に応じて微妙に変化する。その波長変化の大きさを示す指標として、屈折率分散値あるいはアッベ数と呼ばれる指標がある。アッベ数が大きい硝材ほど屈折率分散値が小さく、入射する光ビームの波長に対する屈折率の変化の割合が小さい。その結果、入射光ビームがプリズムで屈折する際、その入射光ビームの波長に応じて生じる屈折率の違いにより発生する屈折角の変化も小さく抑えることができる。
【００６４】
そこで例えば前記ＢＫ−７よりもアッベ数が大きく、したがって屈折率分散値が小さい硝材で歪み補正プリズム１０を構成することで、赤色、緑色、青色各々の画像表示用光ビームが歪み補正プリズムに入射、屈折する際の屈折角の相対ずれを小さくし、その結果、投射スクリーン上での前記３原色の相対的な画素ずれ（色ずれ）を極力小さく抑えることができる。
【００６５】
なおこの場合、新たに用いられる硝材の屈折率は、当然前記ＢＫ−７の屈折率（ｎｄ＝１．５１６３３）とは異なる屈折率を有しているので、それに伴い前記の反射光ビーム光軸の初期仰角αの最適値や歪み補正プリズム１０の最適頂角δの値もＢＫ−７を用いて構成された歪み補正プリズムとは異なる値になる。
【００６６】
また図１乃至図５の実施例では、歪み補正プリズム１０は所定の頂角δを備えたくさび型プリズムであって、かつ該プリズムをその光ビーム出射側光学面（図１における面１２）が垂直方向（図中のＺ軸方向）に略平行になるような向きに配置した例に限定して説明してきたが、勿論このような形状、配置のプリズムに限定されるものではなく、光ビーム入射側光学面（図１における面１１に相当）と光ビーム出射側光学面（図１における面１２に相当）間に所定の傾斜角δを備えた光学プリズムであればどのような形状、配置のプリズムであっても一向に構わない。
【００６７】
以下の実施例２で、歪み補正プリズム１０の別の構成例を説明する。
【実施例２】
【００６８】
図６は、本発明の歪み補正プリズム１０に関する第２の実施例を示したプリズム本体の概略側面図である。なお本実施例における光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置は、歪み補正プリズム１０以外の構成部品は図１の実施例と同様であるので、図および詳細な説明は省略する。
【００６９】
本実施例における歪み補正プリズム１０は、互いに異なる屈折率または屈折率分散値あるいはアッベ数が異なる少なくとも２種類の硝材から構成され、かつそれぞれ所定の頂角δ１およびδ２を有する第１のくさび形プリズム１０ａおよび第２のくさび型プリズム１０ｂを図に示すように互いに貼りあわせた複合プリズムになっている。
【００７０】
このように異なる硝材からなる複数のプリズムを貼りあわせた構成にすることにより、個々のプリズムにおいてその屈折率分散特性により発生する赤色、緑色、青色各画像表示用光ビームの屈折角の相対ずれを、プリズム間で互いに補償しあうよう設定することができる。そしてその結果、良好な画像歪み補正を実現すると共に、単一のプリズムでは完全には除去できなかった投射スクリーン２０上での前記３原色の相対的な画素ずれ（色ずれ）を性能上ほぼ問題ない程度にまで低減することができる。
【００７１】
例えば、図４に示すような長方形枠を表示させた場合、本発明の第１の実施例で示したような硝材ＢＫ−７でのみ構成された単一のくさび形プリズムを歪み補正プリズム１０して配置した場合、表示図形の４隅で前記赤色、緑色、青色の３原色の相対画素ずれ（色ずれ）が最大約１ｍｍ程度も発生してしまう。
【００７２】
一方、例えばこの歪み補正プリズム１０を、硝材ＢＫ−７（ｎｄ＝１．５１６３３、アッベ数νｄ＝６４．１）からなる頂角δ１＝２０度の第１プリズム１０ａと、高屈折率＆高分散硝材Ｌ−ＬＡＨ８３（ｎｄ＝１．８６４、アッベ数νｄ＝４０．６）からなる頂角δ２＝１４．５度の第２プリズム１０ｂとを図６に示すように貼りあわせた複合プリズムで前記歪み補正プリズム１０を構成することにより、前記した３原色の相対画素ずれ（色ずれ）を最大でも０．２ｍｍ以下にまで低減できる。
【００７３】
なお、前記のような複合プリズム構成により、いわゆる色ずれを良好に低減した複合プリズムを一般に色消しプリズムと称するが、勿論このような色消し効果を備えた本発明の歪み補正プリズムは、前記したような硝材ＢＫ−７とＬ−ＬＡＨ８３の組み合わせに限定されるものではなく、他の硝材の組み合わせでも実現することができる。
【００７４】
ただし他の硝材の組み合わせの場合、当然のことながら各々の硝材の屈折率やその組み合わせにより、画像歪み補正効果が最良となる最適プリズム頂角の組み合わせは変わるので、例えば本発明で開示した設計手法を用いて最適設計しなければならない。
【００７５】
なお以上説明してきた画像歪み補正プリズムを、例えば光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置の光ビーム出射開口部に配置し、装置内に塵や埃が侵入しないようこのプリズムで前記開口部を封止することで、この画像歪み補正プリズムを防塵用透明窓部材と兼用させることも可能である。
【実施例３】
【００７６】
図７は本発明における光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置に関する別の一実施例を示した概略側面図である。なお図中の一点鎖線は、光ビームの光軸を表す。また本図において、図1に示した本発明の第1の実施例と同じ構成部品には同じ番号を附している。
【００７７】
本実施例は、以下に示すような図1に示した本発明の第1の実施例とは異なる構成上の特徴を有している。
【００７８】
まず第１の特徴は、図６で示した屈折率または屈折率分散値が互いに異なる所定の硝材からなる２個のくさび型プリズムを貼りあわせた複合型のプリズムを、画像歪み補正用のプリズムとして用いている点である。
【００７９】
その硝材および形状に関する具体的な例を挙げると、図中の複合型歪み補正プリズム１０を構成する第１のプリズム１０ａは、硝材として硝材名ＢＫ−７（屈折率ｎｄ＝１．５１６３３、アッベ数ｖｄ＝６４．１）で構成され、その頂角δ１の角度は２０度になっている。
【００８０】
一方、前記複合型歪み補正プリズム１０を構成する第２のプリズム１０ｂは、硝材として硝材名Ｎ−Ｆ２（屈折率ｎｄ＝１．６２００４、アッベ数ｖｄ＝３６．３）で構成され、その頂角δ２の角度は１０度になっている。
【００８１】
次に本実施例の第２の特長は、光源ユニット１００を出射して光ビーム走査用の偏向ミラー装置９に入射する往路光ビームと、該偏向ミラー装置９を反射して投射スクリーン２０に向かう復路光ビームが、共に前記複合型歪み補正プリズム１０を透過するよう該複合型歪み補正プリズム１０を前記偏向ミラー装置９の直前に配置している点である。
【００８２】
その配置に関する具体的な例を挙げると、光源ユニット１００を出射した往路光ビームの中心光軸４８は、ほぼ水平方向（図中のX軸に略平行方向）に進行し、まず複合型歪み補正プリズム１０内の入射面１２に略直角方向すなわち入射角が略０度の方向から入射する。そしてこの複合型歪み補正プリズム１０を構成するプリズム１０ｂおよび１０ａをこの順番で逐次透過し面１１から出射する。
【００８３】
次に複合型歪み補正プリズム１０を出射した往路光ビーム４９は光ビーム走査用の偏向ミラー装置９に入射し、この偏向ミラー装置９内の反射ミラーを反射したのち、復路光ビームとなって再び前記複合型歪み補正プリズム１０に面１１側から入射する。この際、前記偏向ミラー装置９が初期状態（中立状態）にある時に前記復路光ビームの中心光軸５０の入射面１１に対する入射角（面１１の面法線と前記復路光ビームの中心光軸５０がなす角度）αが約２７度になるよう、前記偏向ミラー装置９内の反射ミラーが所定の設置角度で設置されている。
【００８４】
そして、入射面１１から再び前記複合型歪み補正プリズム１０に入射した前記復路光ビームは、該複合型歪み補正プリズム１０を構成するプリズム１０aおよび１０bをこの順番で逐次透過し再び面１2から出射したのち、復路光ビーム５１として投影スクリーン２０に向けて進行する。
【００８５】
本実施例のように、歪み補正用のプリズム１０を複合型のプリズムとし、かつ往路光ビームと復路光ビームが共にかつ互いに略逆方向から前記歪み補正プリズム１０に入射させる構成にすると、画像歪みおよび投射スクリーン２０上でのＲＧＢ３原色の波長に違いに伴う相対的な画素ずれ（色ずれ）を共に良好に補償できる上、前記歪み補正プリズム１０を光ビーム走査用の偏向ミラー装置９の直前に配置することができるので、結果的に本発明の光ビーム走査装置またはそれを用いた画像表示装置を大幅に小型化できる。
【００８６】
なお当然のことながら、前記したような本発明の[実施例３]における歪み補正プリズム１０の構成や形状、あるいはその配置に関する具体的なパラメータは、単にその一例を示したものに過ぎず、これに限定されるものではない。
【００８７】
異なる硝材で構成される複数のプリズムからなる複合型の歪み補正プリズムを用い、光源ユニットを出射し偏向ミラー装置に入射する往路光ビームと、この偏向ミラー装置を反射して投影スクリーンに向かう復路光ビームが、共に前記歪み補正プリズムを透過するように該歪み補正プリズムを配置した光ビーム走査装置またはそれを用いた画像表示装置であれば、どのような構成のものでも構わない。
【符号の説明】
【００８８】
１，２，３…半導体レーザ光源、４，５，６…コリメートレンズ、７，８…波長選択性ミラー、９…光ビーム走査用偏向ミラー装置、１０…画像歪み補正用プリズム、２０…投射スクリーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置に関する。
【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光ビーム走査装置または走査型画像表示装置が種々提案されている。
【０００３】
このような走査型画像表示装置において、前記光源から出射した光ビームを２次元的に偏向する偏向手段としては、ガルバノミラーや、特に近年技術的な進歩が目覚しく注目を集めているＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ-ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いたＭＥＭＳミラーデバイスなどに代表される反射型光ビーム偏向走査素子または装置が広く用いられている。
【０００４】
しかしながら一方で、このような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てしまうという問題がある。
【０００５】
すなわち、前記のような光ビーム走査装置あるいは走査型画像表示装置において２次元画像を高品位に表示するためには、前記のような光ビームの走査に伴う画像歪みを良好に除去あるいは補正するための手段が必須となる。
【０００６】
このような画像歪みの補正手段あるいは装置としては、例えば特許文献１で開示されている『第１走査方向において正弦波駆動する偏向器を有し、該走査光学系を構成する１つの光学面は、第１走査方向の中心から周辺部へ向かうに連れて第１走査方向の２階微分値が偏向光束を発散させる方向に変化する形状で、該形状が該第２走向に連なっていることを特徴とする光走査装置』等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１７８３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記公知例で開示されているような従来の画像歪み補正技術は、前記画像歪みの削減に関してはある程度の効果は期待できるものの、歪み補正用の光学系として自由曲面形状を備えた３枚の光学反射面もしくはレンズ面を必要とし、その大型化、複雑化が免れない。
【０００９】
以上のような状況に鑑み、本発明では、ごく簡単な光学系構成によって前記画像歪み補正を実現した光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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】
【００１１】
本発明によれば、小型かつごく簡略な光学素子を用いることで、前記のような画像歪みを良好に補正できる光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光ビーム走査型画像表示装置に関する第１の実施例を示す概略側面図
【図２】従来の光ビーム走査型画像表示装置で投影される画像の一例を示した平面図
【図３】偏向ミラーからの初期反射光軸の仰角と歪み率ＲＭＳ値Ｄおよび画像歪み補正プリズムの最適頂角δの関係の一例を示した線図
【図４】本発明の画像歪み補正プリズムを搭載した光ビーム走査型画像表示装置で投影される画像の一例を示した平面図
【図５】偏向ミラー入射光軸の初期入射角度と偏向ミラー初期反射光軸の最適仰角および画像歪み補正プリズムの最適頂角δの関係の一例を示した線図
【図６】本発明の画像歪み補正プリズムに関する第２の実施例を示した概略側面図
【図７】本発明の光ビーム走査型画像表示装置に関する第３の実施例を示す概略側面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施例について以下各図を用いて説明する。なお当然のことながら、本発明は以下で説明する実施例の構成にのみ限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明における光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置に関する第１の実施例を示した概略側面図である。なお図中の一点鎖線は、光ビームの光軸を表す。
【００１５】
本実施例における光ビーム走査装置は、画像表示用の光ビームを生成、出射する光源ユニット１００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９と、後述するような画像歪み補正用のくさび形プリズム１０を主要光学部品として構成されている。
【００１６】
まず光源ユニット１００の構成について簡単に説明する。光源ユニット１００内には、互いに波長が異なる３個のレーザ光源１，２および３が配置されている。
【００１７】
１は例えば波長５２０ｎｍ帯の緑色光ビーム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１を出射した緑色光ビームは、コリメートレンズ４にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー７に入射する。
【００１８】
２は例えば波長６４０ｎｍ帯の赤色光ビーム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２を出射した赤色光ビームも、前記の半導体レーザ光源１から出射した緑色光ビームと同様、コリメートレンズ５にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー７に入射する。
【００１９】
平板ミラー７は、前記半導体レーザ光源１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２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７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平板ミラー８に入射する。
【００２０】
一方、３は例えば波長４４０ｎｍ帯の青色光ビーム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３を出射した青色光ビームは、コリメートレンズ６にて略平行な光ビームに変換されたのち平板ミラー８に入射する。
【００２１】
平板ミラー８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。
【００２２】
そして、この第２の波長選択性ミラー８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同一の光ビームとして進行す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１００を出射し、光ビーム走査用の偏向ミラー装置９に入射する。
【００２３】
なお、この光源ユニット１００については、当然ながら前記の構成に限定されるものではなく、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。
【００２４】
次に光ビーム走査用の偏向ミラー装置９は、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を反射させて、その反射光ビームを該偏向ミラー装置９から所定距離離れた投射スクリーン２０上に投射するとともに、該反射ミラー面自体が紙面に略垂直すなわち図中のＹ軸に略平行な所定の回転軸９１、および紙面に平行すなわち図中のＸ−Ｚ軸で形成される平面に略平行な所定の回転軸９２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。
【００２５】
そしてその結果、投射スクリーン２０上に投射された反射光ビームは前記投射スクリーン２０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次元に高速走査される。
【００２６】
この際、投射スクリーン２０上における反射光ビームの走査位置に同期して前記各レーザ光源１、２および３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て２次元のカラー画像を投射スクリーン２０上に投射表示させるのである。
【００２７】
ところで、本実施例では前記したように、光ビーム走査用の偏向ミラー装置９は互いに垂直な回転軸３０および３１の回りに高速反復偏向駆動する１個の反射ミラーから構成されている。このような構成の偏向ミラー装置９を一般に２軸１面型の偏向ミラー装置と称する。
【００２８】
このような２軸１面型の偏向ミラー装置を用いることは、走査型画像表示装置の小型化あるいは光学部品点数の削減の観点から極めて有利であり、今後広く用いられる可能性があるが、本発明はこのような２軸１面型の偏向ミラー装置を用いた走査型画像表示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個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を備えた一般に１軸２面型の偏向ミラー装置と呼ばれる装置など他の偏向形式、構成の光ビーム走査用偏向ミラー装置を用いた光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置にも本発明を適用することができる。
【００２９】
なお、上記のような光ビーム走査用偏向ミラー装置９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の詳細な説明は省略する。
【００３０】
ところで図１に示した本発明の第１の実施例では、光ビーム走査用偏向ミラー装置９と投射スクリーン２０の間の反射光ビーム光路中に、くさび型プリズム１０が配置されているが、このくさび型プリズム１０は画像歪み補正用の光学プリズムである。
【００３１】
なお本実施例では、設置されている画像歪み補正用のくさび型プリズム１０は、図中に示すように光ビーム入射側の光学面１１と光ビーム出射側の光学面１２との相対傾き角がプリズム頂角δとして規定されており、かつ光ビーム出射側光学面１２が垂直方向（図中のＺ軸方向）に略平行になるよう配置されている。
【００３２】
以下では、この画像歪み補正用プリズムの具体的構成とその画像歪み補正効果について説明する。
【００３３】
まず初めに、本発明のような画像歪み補正手段を何も設けていない従来の光ビーム走査型画像表示装置における画像歪み問題について説明する。
【００３４】
例えば図２は、水平方向に±１４度、垂直方向に±７度の偏向角で反射ミラーが高速反復偏向する機能を備えた光ビーム走査用偏向ミラー装置９を用い、この偏向ミラー装置９から１ｍ離れた位置において垂直方向に平行なスクリーン面を備えた投射スクリーン２０上に単純な長方形枠を表示させた場合に、実際に描かれる画像を計算機シミュレーションで再現したものである。
【００３５】
なお計算機シミュレーションにより画像を再現表示するに当たっては、前記偏向ミラー装置９に入射する光ビームが水平方向（図１のＸ軸方向）に平行で、かつ初期状態すなわち前記偏向ミラー装置９内の反射ミラーが中立状態にある場合の該反射ミラー面への入射光ビームの入射角（図１におけるβ）を１５度としてシミュレーションをおこなった。この場合は必然的に、前記偏向ミラー装置９を反射し投射スクリーン２０の原点Ｏに向かう初期反射光ビーム５０の水平方向（図１のＸ軸方向）からの仰角（図１におけるα）は３０度になっている。
【００３６】
また従来の光ビーム走査型画像表示装置の性能を再現するため、本図は画像歪みを補正するための手段は一切設けていない場合の画像を示している。
【００３７】
本図において、横軸は水平方向（図１におけるＹ軸方向に相当）の画像寸法、縦軸は垂直方向（図１におけるＺ軸方向に相当）の画像寸法を表す。
【００３８】
また図中の実線が実際に表示される長方形枠の画像を示しており、破線は本来表示されるべき理想的な長方形枠の画像を示している。
【００３９】
本図から明らかなように、偏向ミラー装置９により光ビームを２次元に走査させて表示された長方形枠の画像は、例えば上辺と下辺の長さが異なるために台形状になってしまっており、かつ本来真っ直ぐな直線で描かれるべき各辺が円弧状の曲線になってしまっている。
【００４０】
その結果表示画像に大きな歪みが生じ、表示された長方形枠の４隅頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の表示位置が理想的な表示位置、すなわち破線で表される理想的な長方形枠画像の４隅頂点位置から大きくずれてしまっている。
【００４１】
このような大きな画像歪みがあると、当然その表示画像の形状が正しく表示されないことになりその画像品質が大きく損なわれる。したがってこのような画像歪みは極力削除もしくは補正することが望ましい。
【００４２】
そこでまず初めに、このような画像歪みの大きさを定量的に把握するための評価指標を以下のように定義する。
【００４３】
すなわち図中に示すように、前記した長方形枠画像の４隅頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４各々の理想表示位置からのずれ量のうち、水平方向のずれ成分をそれぞれＨｃ１、Ｈｃ２、Ｈｃ３、Ｈｃ４で、垂直方向のずれ成分をそれぞれＶｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３、Ｖｃ４で表す。その上で前記各ずれ成分を理想的な長方形枠画像の水平幅Ｌｈまたは垂直幅Ｌｖで割り、前記各ずれ成分を理想長方形枠の表示幅に対する比率で表す。その上でこれら各ずれ成分比率の２乗平均平行根（Root Mean Square略してＲＭＳ値と表示）Ｄを定義する。すなわち、
【００４４】
（数１）
Ｄ＝ＳＱＲＴ[（Ｈｃ１／Ｌｈ）２＋（Ｈｃ２／Ｌｈ）２＋（Ｈｃ３／Ｌｈ）２
＋（Ｈｃ４／Ｌｈ）２＋（Ｖｃ１／Ｌｖ）２＋（Ｖｃ２／Ｌｖ）２
＋（Ｖｃ３／Ｌｖ）２＋（Ｖｃ４／Ｌｖ）２］
上記（数１）で表される歪み率ＲＭＳ値Ｄを用いることで、発生する画像歪みの大きさを定量的に把握することができる。すなわち、この歪み率ＲＭＳ値Ｄの値が大きいほどその画像は画像歪みが大きく、逆にＤの値がゼロに近いほど表示画像は画像歪みが小さく理想的な表示画像に近くなる。例えば図２で表される従来の画像表示装置での表示画像は、歪み率ＲＭＳ値Ｄが約８．４％である。
【００４５】
本発明では、この歪み率ＲＭＳ値Ｄを大幅に低減し表示画像の画像歪みを良好に削減あるいは補正する光学的手段として、図１に示すように、光ビーム走査用偏向ミラー装置９と投射スクリーン２０の間の反射光ビーム光路中に画像歪み補正用のくさび型プリズム１０（以下、簡単のため歪み補正プリズムと記す。）を配置する。
【００４６】
図３は、図１において偏向ミラー装置９から出射した反射光ビームの初期光軸５０の水平方向（図１のＸ軸方向）からの仰角αと、前記歪み率ＲＭＳ値Ｄとの関係を、本発明のように歪み補正プリズム１０が配置された場合と、従来のように画像歪み補正手段が一切配置されていない場合についてプロットしたグラフである。図中の線図５０１が本発明の歪み補正プリズム１０を配置した場合、線図５０２が画像歪み補正手段が一切配置されていない場合を示している。
【００４７】
なお歪み補正プリズム１０を配置した場合については、歪み率ＲＭＳ値Ｄが最小値Ｄｍｉｎをとる歪み補正プリズム１０の最適プリズム頂角δを探索し、そのＤｍｉｎをプロットすると共に、前記最適プリズム頂角δの値も同じグラフ内に線図５０３としてプロットしている。
【００４８】
なお本図において、偏向ミラー装置９内の反射ミラーに入射する光ビームの初期入射角度βは、図２の場合と同じく１５度と仮定している。
【００４９】
また図３で用いる歪み補正プリズム１０は、一例として一般的な光学部品用硝材であるＢＫ−７（屈折率ｎｄ＝１．５１６３３）で構成されているものと仮定している。
【００５０】
本図から明らかなように、歪み率ＲＭＳ値Ｄは歪み補正プリズム１０の有無に関わらず、偏向ミラー装置９から出射した反射光ビームの初期仰角αに依存して変化しそれぞれ所定の仰角で最小値をとる。
【００５１】
例えば歪み補正プリズム１０が配置されていない従来構成の場合、線図５０２内のＡ点すなわち前記仰角α＝０度でＤの値が最小値５．４％となる。
【００５２】
一方、歪み補正プリズム１０を設置した場合、線図５０１が示すように設置していない従来構成に比べて明らかにＤ値が低くなる。さらにこの場合、図中のＢ点すなわち前記初期仰角α＝２２度付近でＤ値が最小値となり、その値は約１．５％となる。
【００５３】
つまり、図１の実施例に示すように歪み補正プリズム１０を配置し、かつ前記仰角を最適角度に設定することで、歪み率ＲＭＳ値Ｄを従来比の約３割程度にまで大幅に低減することができるわけである。
【００５４】
なお前記Ｄ値が最小値約１．５％をとるための歪み補正プリズム１０の最適頂角δは約１４度である。また計算機シミュレーションによる検討の結果、この歪み補正プリズム１０の頂角δが１４度±３度の範囲内であれば、歪み率ＲＭＳ値Ｄが２．０％以下となり、画像歪みが十分に削減されることがわかっている。
【００５５】
図４は、上記のようなプリズム頂角δ＝１４度の歪み補正プリズム１０を偏向ミラー装置９からの反射光路中に配置し、かつ前記初期仰角αを２２度に設定した場合に、投射スクリーン２０上に描かれる長方形枠画像を計算機シミュレーションで再現したものである。なお上記した各パラメータ以外の諸条件は図２と同一とした。
【００５６】
本図と図２を比較すると明らかなように、反射光路中に歪み補正プリズム１０を設置し、該プリズムに入射する反射光ビーム光軸５０の初期仰角αおよびプリズム頂角δを最適設計することにより、発生する画像歪みを大幅に低減することができ、理想的表示画像とほぼ同等の画像品質を得ることできる。
【００５７】
ところで、歪み率ＲＭＳ値Ｄを最小にする前記反射光ビーム光軸５０の初期仰角αの最適値や歪み補正プリズム１０の最適頂角δは、偏向ミラー装置９内の反射ミラーに入射する光ビームの初期入射角βに依存して変化する。
【００５８】
図５は、前記入射光ビームの初期入射角βと歪み率ＲＭＳ値Ｄを最小にする前記反射光ビーム初期仰角αの最適値、および歪み補正プリズム１０の最適頂角δとの関係をプロットしたグラフである。図の横軸が前記初期入射角βであり、縦軸が前記初期仰角αの最適値および歪み補正プリズムの最適頂角δを表している。なお上記以外の諸条件は、図１乃至図４で設定された条件と同一である。
【００５９】
図中の線図６０１が前記初期入射角βと前記初期仰角αの最適値との関係を示しており、線図６０２が前記初期入射角βと歪み補正プリズムの最適頂角δとの関係を示している。
【００６０】
どちらの線図もほぼ直線であり、前記βとαおよびβとδがほぼ比例関係にあることを示している。また夫々の直線を表す式を図中に記載している。
【００６１】
すなわち図１乃至図４の実施例では、いずれも前記初期入射角βが１５度の場合について記述しているが、当然ながら初期入射角βが１５度以外の場合でも本発明を適用することは可能であり、その際の前記反射光ビーム初期仰角αの最適値や歪み補正プリズム１０の最適頂角δは、例えば図５に示す結果を用いて容易に算出することができる。
【００６２】
また図１乃至図５の実施例では、いずれも歪み補正プリズム１０を構成する硝材として、一般的な光学部品用硝材であるＢＫ−７を用いることを想定しているが、もちろんこれ以外の硝材を用いてプリズムを構成しても一向に構わない。
【００６３】
一般に、硝材の屈折率は入射する光ビームの波長に応じて微妙に変化する。その波長変化の大きさを示す指標として、屈折率分散値あるいはアッベ数と呼ばれる指標がある。アッベ数が大きい硝材ほど屈折率分散値が小さく、入射する光ビームの波長に対する屈折率の変化の割合が小さい。その結果、入射光ビームがプリズムで屈折する際、その入射光ビームの波長に応じて生じる屈折率の違いにより発生する屈折角の変化も小さく抑えることができる。
【００６４】
そこで例えば前記ＢＫ−７よりもアッベ数が大きく、したがって屈折率分散値が小さい硝材で歪み補正プリズム１０を構成することで、赤色、緑色、青色各々の画像表示用光ビームが歪み補正プリズムに入射、屈折する際の屈折角の相対ずれを小さくし、その結果、投射スクリーン上での前記３原色の相対的な画素ずれ（色ずれ）を極力小さく抑えることができる。
【００６５】
なおこの場合、新たに用いられる硝材の屈折率は、当然前記ＢＫ−７の屈折率（ｎｄ＝１．５１６３３）とは異なる屈折率を有しているので、それに伴い前記の反射光ビーム光軸の初期仰角αの最適値や歪み補正プリズム１０の最適頂角δの値もＢＫ−７を用いて構成された歪み補正プリズムとは異なる値になる。
【００６６】
また図１乃至図５の実施例では、歪み補正プリズム１０は所定の頂角δを備えたくさび型プリズムであって、かつ該プリズムをその光ビーム出射側光学面（図１における面１２）が垂直方向（図中のＺ軸方向）に略平行になるような向きに配置した例に限定して説明してきたが、勿論このような形状、配置のプリズムに限定されるものではなく、光ビーム入射側光学面（図１における面１１に相当）と光ビーム出射側光学面（図１における面１２に相当）間に所定の傾斜角δを備えた光学プリズムであればどのような形状、配置のプリズムであっても一向に構わない。
【００６７】
以下の実施例２で、歪み補正プリズム１０の別の構成例を説明する。
【実施例２】
【００６８】
図６は、本発明の歪み補正プリズム１０に関する第２の実施例を示したプリズム本体の概略側面図である。なお本実施例における光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置は、歪み補正プリズム１０以外の構成部品は図１の実施例と同様であるので、図および詳細な説明は省略する。
【００６９】
本実施例における歪み補正プリズム１０は、互いに異なる屈折率または屈折率分散値あるいはアッベ数が異なる少なくとも２種類の硝材から構成され、かつそれぞれ所定の頂角δ１およびδ２を有する第１のくさび形プリズム１０ａおよび第２のくさび型プリズム１０ｂを図に示すように互いに貼りあわせた複合プリズムになっている。
【００７０】
このように異なる硝材からなる複数のプリズムを貼りあわせた構成にすることにより、個々のプリズムにおいてその屈折率分散特性により発生する赤色、緑色、青色各画像表示用光ビームの屈折角の相対ずれを、プリズム間で互いに補償しあうよう設定することができる。そしてその結果、良好な画像歪み補正を実現すると共に、単一のプリズムでは完全には除去できなかった投射スクリーン２０上での前記３原色の相対的な画素ずれ（色ずれ）を性能上ほぼ問題ない程度にまで低減することができる。
【００７１】
例えば、図４に示すような長方形枠を表示させた場合、本発明の第１の実施例で示したような硝材ＢＫ−７でのみ構成された単一のくさび形プリズムを歪み補正プリズム１０して配置した場合、表示図形の４隅で前記赤色、緑色、青色の３原色の相対画素ずれ（色ずれ）が最大約１ｍｍ程度も発生してしまう。
【００７２】
一方、例えばこの歪み補正プリズム１０を、硝材ＢＫ−７（ｎｄ＝１．５１６３３、アッベ数νｄ＝６４．１）からなる頂角δ１＝２０度の第１プリズム１０ａと、高屈折率＆高分散硝材Ｌ−ＬＡＨ８３（ｎｄ＝１．８６４、アッベ数νｄ＝４０．６）からなる頂角δ２＝１４．５度の第２プリズム１０ｂとを図６に示すように貼りあわせた複合プリズムで前記歪み補正プリズム１０を構成することにより、前記した３原色の相対画素ずれ（色ずれ）を最大でも０．２ｍｍ以下にまで低減できる。
【００７３】
なお、前記のような複合プリズム構成により、いわゆる色ずれを良好に低減した複合プリズムを一般に色消しプリズムと称するが、勿論このような色消し効果を備えた本発明の歪み補正プリズムは、前記したような硝材ＢＫ−７とＬ−ＬＡＨ８３の組み合わせに限定されるものではなく、他の硝材の組み合わせでも実現することができる。
【００７４】
ただし他の硝材の組み合わせの場合、当然のことながら各々の硝材の屈折率やその組み合わせにより、画像歪み補正効果が最良となる最適プリズム頂角の組み合わせは変わるので、例えば本発明で開示した設計手法を用いて最適設計しなければならない。
【００７５】
なお以上説明してきた画像歪み補正プリズムを、例えば光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置の光ビーム出射開口部に配置し、装置内に塵や埃が侵入しないようこのプリズムで前記開口部を封止することで、この画像歪み補正プリズムを防塵用透明窓部材と兼用させることも可能である。
【実施例３】
【００７６】
図７は本発明における光ビーム走査装置およびそれを用いた画像表示装置に関する別の一実施例を示した概略側面図である。なお図中の一点鎖線は、光ビームの光軸を表す。また本図において、図1に示した本発明の第1の実施例と同じ構成部品には同じ番号を附している。
【００７７】
本実施例は、以下に示すような図1に示した本発明の第1の実施例とは異なる構成上の特徴を有している。
【００７８】
まず第１の特徴は、図６で示した屈折率または屈折率分散値が互いに異なる所定の硝材からなる２個のくさび型プリズムを貼りあわせた複合型のプリズムを、画像歪み補正用のプリズムとして用いている点である。
【００７９】
その硝材および形状に関する具体的な例を挙げると、図中の複合型歪み補正プリズム１０を構成する第１のプリズム１０ａは、硝材として硝材名ＢＫ−７（屈折率ｎｄ＝１．５１６３３、アッベ数ｖｄ＝６４．１）で構成され、その頂角δ１の角度は２０度になっている。
【００８０】
一方、前記複合型歪み補正プリズム１０を構成する第２のプリズム１０ｂは、硝材として硝材名Ｎ−Ｆ２（屈折率ｎｄ＝１．６２００４、アッベ数ｖｄ＝３６．３）で構成され、その頂角δ２の角度は１０度になっている。
【００８１】
次に本実施例の第２の特長は、光源ユニット１００を出射して光ビーム走査用の偏向ミラー装置９に入射する往路光ビームと、該偏向ミラー装置９を反射して投射スクリーン２０に向かう復路光ビームが、共に前記複合型歪み補正プリズム１０を透過するよう該複合型歪み補正プリズム１０を前記偏向ミラー装置９の直前に配置している点である。
【００８２】
その配置に関する具体的な例を挙げると、光源ユニット１００を出射した往路光ビームの中心光軸４８は、ほぼ水平方向（図中のX軸に略平行方向）に進行し、まず複合型歪み補正プリズム１０内の入射面１２に略直角方向すなわち入射角が略０度の方向から入射する。そしてこの複合型歪み補正プリズム１０を構成するプリズム１０ｂおよび１０ａをこの順番で逐次透過し面１１から出射する。
【００８３】
次に複合型歪み補正プリズム１０を出射した往路光ビーム４９は光ビーム走査用の偏向ミラー装置９に入射し、この偏向ミラー装置９内の反射ミラーを反射したのち、復路光ビームとなって再び前記複合型歪み補正プリズム１０に面１１側から入射する。この際、前記偏向ミラー装置９が初期状態（中立状態）にある時に前記復路光ビームの中心光軸５０の入射面１１に対する入射角（面１１の面法線と前記復路光ビームの中心光軸５０がなす角度）αが約２７度になるよう、前記偏向ミラー装置９内の反射ミラーが所定の設置角度で設置されている。
【００８４】
そして、入射面１１から再び前記複合型歪み補正プリズム１０に入射した前記復路光ビームは、該複合型歪み補正プリズム１０を構成するプリズム１０aおよび１０bをこの順番で逐次透過し再び面１2から出射したのち、復路光ビーム５１として投影スクリーン２０に向けて進行する。
【００８５】
本実施例のように、歪み補正用のプリズム１０を複合型のプリズムとし、かつ往路光ビームと復路光ビームが共にかつ互いに略逆方向から前記歪み補正プリズム１０に入射させる構成にすると、画像歪みおよび投射スクリーン２０上でのＲＧＢ３原色の波長に違いに伴う相対的な画素ずれ（色ずれ）を共に良好に補償できる上、前記歪み補正プリズム１０を光ビーム走査用の偏向ミラー装置９の直前に配置することができるので、結果的に本発明の光ビーム走査装置またはそれを用いた画像表示装置を大幅に小型化できる。
【００８６】
なお当然のことながら、前記したような本発明の[実施例３]における歪み補正プリズム１０の構成や形状、あるいはその配置に関する具体的なパラメータは、単にその一例を示したものに過ぎず、これに限定されるものではない。
【００８７】
異なる硝材で構成される複数のプリズムからなる複合型の歪み補正プリズムを用い、光源ユニットを出射し偏向ミラー装置に入射する往路光ビームと、この偏向ミラー装置を反射して投影スクリーンに向かう復路光ビームが、共に前記歪み補正プリズムを透過するように該歪み補正プリズムを配置した光ビーム走査装置またはそれを用いた画像表示装置であれば、どのような構成のものでも構わない。
【符号の説明】
【００８８】
１，２，３…半導体レーザ光源、４，５，６…コリメートレンズ、７，８…波長選択性ミラー、９…光ビーム走査用偏向ミラー装置、１０…画像歪み補正用プリズム、２０…投射スクリーン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する所定の光学反射面とを備え、
前記光源を発し前記光学反射面を反射した光ビームを第１の走査方向およびそれに略直交する第２の走査方向に偏向走査する機能を備えた光ビーム走査装置において、
前記光学反射面を反射した光ビームの光路中に、所定の屈折率を有する透明な光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなりかつ所定の頂角を備えたくさび型もしくは台形型の光学プリズムを配置したことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項２】
前記くさび型もしくは台形型の光学プリズムの頂角は、１４°±３°の範囲にあることを特長とする請求項1記載の光ビーム走査装置。
【請求項３】
光源と、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する所定の光学反射面とを備え、
前記光源を発し前記光学反射面を反射した光ビームを第１の走査方向およびそれに略直交する第２の走査方向に偏向走査する機能を備えた光ビーム走査装置において、
前記光学反射面を反射した光ビームの光路中に、
所定の屈折率および所定のアッベ数を有する透明な光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり所定の頂角を備えたくさび型もしくは台形型の第１の光学プリズムと、少なくとも前記第１の光学プリズムとは互いに異なる所定のアッベ数を有する光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり、かつ所定の頂角を備えた第２の光学プリズムとを互いに貼りあわせた複合型プリズムと、を配置したことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の前記くさび形もしくは台形型プリズムまたは前記複合型プリズムを、前記ビーム走査装置またはそれを用いた画像表示装置の光ビーム出射開口部に配置し該プリズムで前記開口部を封止することで、前記プリズムを防塵用透明窓部材と兼用させたことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項５】
光源と、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する所定の光学反射面とを備え、
前記光源を発し前記光学反射面を反射した光ビームを第１の走査方向およびそれに略直交する第２の走査方向に偏向走査する機能を備えた光ビーム走査装置において、
所定の屈折率および所定のアッベ数を有する透明な光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり所定の頂角を備えたくさび型もしくは台形型の第１の光学プリズムと、少なくとも前記第１の光学プリズムとは互いに異なる所定のアッベ数を有する光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり、かつ所定の頂角を備えた第２の光学プリズムとを互いに貼りあわせた複合型プリズムを、
前記光源を発し前記光学反射面に入射する往路光ビームと前記光学反射面を反射した復路光ビームとが共に、かつ互いに略逆方向から入射する位置に配置したことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項６】
請求項１乃至５記載の光ビーム走査装置を備えた画像表示装置。
【請求項１】
光源と、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する所定の光学反射面とを備え、
前記光源を発し前記光学反射面を反射した光ビームを第１の走査方向およびそれに略直交する第２の走査方向に偏向走査する機能を備えた光ビーム走査装置において、
前記光学反射面を反射した光ビームの光路中に、所定の屈折率を有する透明な光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなりかつ所定の頂角を備えたくさび型もしくは台形型の光学プリズムを配置したことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項２】
前記くさび型もしくは台形型の光学プリズムの頂角は、１４°±３°の範囲にあることを特長とする請求項1記載の光ビーム走査装置。
【請求項３】
光源と、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する所定の光学反射面とを備え、
前記光源を発し前記光学反射面を反射した光ビームを第１の走査方向およびそれに略直交する第２の走査方向に偏向走査する機能を備えた光ビーム走査装置において、
前記光学反射面を反射した光ビームの光路中に、
所定の屈折率および所定のアッベ数を有する透明な光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり所定の頂角を備えたくさび型もしくは台形型の第１の光学プリズムと、少なくとも前記第１の光学プリズムとは互いに異なる所定のアッベ数を有する光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり、かつ所定の頂角を備えた第２の光学プリズムとを互いに貼りあわせた複合型プリズムと、を配置したことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項４】
請求項１乃至３記載の前記くさび形もしくは台形型プリズムまたは前記複合型プリズムを、前記ビーム走査装置またはそれを用いた画像表示装置の光ビーム出射開口部に配置し該プリズムで前記開口部を封止することで、前記プリズムを防塵用透明窓部材と兼用させたことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項５】
光源と、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する所定の光学反射面とを備え、
前記光源を発し前記光学反射面を反射した光ビームを第１の走査方向およびそれに略直交する第２の走査方向に偏向走査する機能を備えた光ビーム走査装置において、
所定の屈折率および所定のアッベ数を有する透明な光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり所定の頂角を備えたくさび型もしくは台形型の第１の光学プリズムと、少なくとも前記第１の光学プリズムとは互いに異なる所定のアッベ数を有する光学ガラスまたは光学部品用プラスチックからなり、かつ所定の頂角を備えた第２の光学プリズムとを互いに貼りあわせた複合型プリズムを、
前記光源を発し前記光学反射面に入射する往路光ビームと前記光学反射面を反射した復路光ビームとが共に、かつ互いに略逆方向から入射する位置に配置したことを特長とする光ビーム走査装置。
【請求項６】
請求項１乃至５記載の光ビーム走査装置を備えた画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５５９５５（Ｐ２０１２−２５５９５５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２９７７７（Ｐ２０１１−１２９７７７）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００１５３５３５）株式会社日立メディアエレクトロニクス (452)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００１５３５３５）株式会社日立メディアエレクトロニクス (452)
【Ｆターム（参考）】
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