画像形成装置、画像形成装置を搭載した車両
【課題】高輝度化や大画面化を犠牲にすることなく小型化を実現できる画像形成装置を提供すること。
【解決手段】本画像形成装置は、光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、前記２次元像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、前記被投射面は、外部に設けられた、可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡の反射面であり、前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいる。
【解決手段】本画像形成装置は、光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、前記２次元像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、前記被投射面は、外部に設けられた、可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡の反射面であり、前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源素子から出射される光束を走査して２次元像を形成する光走査装置を備えた画像形成装置、前記画像形成装置を搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２次元走査するミラーに多色の光束を入射させ、カラー２次元像を得る光走査装置が広く提案されている。特に、光源として半導体レーザを用いた光走査装置では、半導体レーザの放出する光束の高い指向性により、高い光利用効率が得られる。又、半導体レーザを用いた光走査装置では、キセノンランプのような巨大な放熱器を設けることなく、機器内で強い光を発することができ、かつ、指向性の高さから小型な光学系においても明るい画像を形成できる。
【０００３】
半導体レーザを用いた光走査装置を用いて、ヘッドアップディスプレイ等の画像形成装置を実現できる。このような画像形成装置は例えば乗用車等に組み込まれるため、小型化が必然的に求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、画像形成装置の小型化を追求すると、高輝度化や大画面化が犠牲になるという問題が発生する。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高輝度化や大画面化を犠牲にすることなく小型化を実現できる画像形成装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本画像形成装置は、光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、前記２次元像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、前記被投射面は、外部に設けられた、可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡の反射面であり、前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいることを要件とする。
【発明の効果】
【０００７】
開示の技術によれば、高輝度化や大画面化を犠牲にすることなく小型化を実現できる画像形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態に係る画像形成装置を例示する図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その１）である。
【図３】第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その２）である。
【図４】レンズ１５について説明するための図である。
【図５】光偏向器及び凹面ミラーの配置について説明するための図である。
【図６】被走査面及び半透過鏡の位置関係を説明するための図である。
【図７】被走査面を透過した各光束の断面形状を説明するための図である。
【図８】第１の実施の形態の変形例１に係る光走査装置の光路を例示する図である。
【図９】実施例１に係る光学系を例示する図である。
【図１０】実施例２に係る光学系を例示する図である。
【図１１】実施例２に係る半透過鏡を例示する図である。
【図１２】実施例３に係る光学系を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１０】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る画像形成装置を例示する図である。図１を参照するに、画像形成装置２０は、大略すると、光走査装置１０と、第１ミラー２１と、第２ミラー２２と、半透過鏡２３とを有する。但し、後述するように、半透過鏡２３は、画像形成装置２０の必須の構成要素ではない。なお、図１において、２４は観測者の眼球（以降、眼球２４とする）を、２５は虚像（以降、虚像２５とする）を示している。
【００１１】
まず、光走査装置１０について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その１）である。図３は、第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その２）である。図２及び図３は、それぞれ光走査装置１０を異なる方向から視た図である。但し、図３では図２に示す光偏向器１６、凹面ミラー１７、及び被走査面１８は図示が省略されている。
【００１２】
図２及び図３を参照するに、光走査装置１０は、大略すると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂと、カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂと、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂと、合成素子１４と、レンズ１５と、光偏向器１６と、凹面ミラー１７と、被走査面１８とを有する。
【００１３】
なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂと、カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂと、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂと、合成素子１４と、レンズ１５とを含めて入射光学系と称する場合がある。又、光偏向器１６と、凹面ミラー１７と、被走査面１８とを含めて走査光学系と称する場合がある。
【００１４】
光走査装置１０において、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、それぞれ、互いに異なる波長λＲ、λＧ、及びλＢの光束を出射することができる。波長λＲ、λＧ、及びλＢは、例えば、それぞれ、６４０ｎｍ、５３０ｎｍ、及び４４５ｎｍとすることができる。光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとしては、例えば、レーザ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子等を用いることができる。
【００１５】
明るさや高画質を確保しながら小型化を実現する観点からすると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとして、それぞれ半導体レーザを用いると好適である。光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、制御手段（図示せず）により、出射パワーや出射タイミング等を制御される。なお、制御手段（図示せず）は、光走査装置１０の内部に設けてもよいし、外部に設けてもよい。
【００１６】
光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂから画像信号の内容に応じて出射された各光束（発散光）は、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂで略平行光又は収束光に変換されてアパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂに入射する。カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂとしては、例えば、凸状のガラスレンズやプラスティックレンズ等を用いることができる。
【００１７】
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束を整形する機能を有する。アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状とすることができる。
【００１８】
なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、共通の１つのカップリングレンズ、及び共通の１つのアパーチャを設ける構成としてもよい。但し、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂ、並びに、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂを設けることにより、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂのそれぞれの発散角の差異に関わらず、光利用効率を確保しながら、被走査面１８上のビームスポット径を所望の値に調整できるメリットがある。
【００１９】
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂで整形された各光束は、合成素子１４に入射し光路合成される。合成素子１４は、例えば、プレート状或いはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて各光束を反射又は透過し、１つの光路に合成する機能を有する。
【００２０】
合成素子１４で光路合成された各光束は、レンズ１５により光偏向器１６の反射面に向かって導かれる。レンズ１５としては、例えば、凹面側を光偏向器１６に向けて配置された単一のメニスカスレンズ等を用いることができる。ここで、図４を参照しながら、レンズ１５について更に詳しく説明する。
【００２１】
図４は、レンズ１５について説明するための図である。図４において、１５Ｒ及び１５Ｂは、レンズ１５に入射する互いに波長の異なる２つの光束を示している。レンズ１５の第２面１５ｂから出射される光束１５Ｒ及び１５Ｂは、光偏向器１６の反射面に納まる大きさで出射されることが好ましい。レンズ１５は、アパーチャ１３Ｒ及び１３Ｂで取り込んだ光束１５Ｒ及び１５Ｂをできるだけ小さくして光偏向器１６に送り込む必要があるため、レンズ１５の第１面１５ａは光束１５Ｒ及び１５Ｂのそれぞれの光束径を集束させるために凸面であることが好ましい。
【００２２】
ここで、光束１５Ｒを長波長、光束１５Ｂを短波長の光束とすると、第１面１５ａでの集光状態は図４に示したように光束１５Ｒと光束１５Ｂとの間で異なる（分散する）。レンズ１５がメニスカスレンズでない他の形態（両凸レンズや平凸レンズ等）であると、出射する光束１５Ｒ及び１５Ｂの発散角は波長に応じてばらついてしまう。
【００２３】
レンズ１５として、第２面１５ｂを凹面としたメニスカスレンズを用いることにより、第1面１５ａで分散した光束１５Ｒ及び１５Ｂは、第２面１５ｂで発散度合いが再び戻される方向に屈折する。その結果、異なる波長の光束１５Ｒ及び１５Ｂが入射するレンズ１５において、出射する光束１５Ｒ及び１５Ｂの発散度合いのばらつきを収束して光偏向器１６に送ることができるため、特定の波長の光束の光量が損失されることなく、画像の輝度を向上することが可能となる。
【００２４】
図２及び図３に戻り、入射光学系から出射され光偏向器１６の反射面に導かれた光束は、光偏向器１６により２次元的に偏向される。光偏向器１６としては、例えば、直交する２軸に対して揺動する１つの微小なミラーや、１軸に揺動又は回動する２つの微小なミラー等を用いることができる。光偏向器１６は、例えば、半導体プロセス等で作製されたＭＥＭＳとすることができる。光偏向器１６は、例えば、圧電素子の変形力を駆動力とするアクチュエータにより駆動することができる。
【００２５】
光偏向器１６により２次元的に偏向された光束は、凹面ミラー１７に入射し、凹面ミラー１７により折り返されて被走査面１８に２次元像を描画する。被走査面１８に入射する光束は、光偏向器１６に入射する光束の進行方向と成す角が近いことが好ましい。このような配置により、被走査面１８上での２次元像の歪を低減できる。又、光束が被走査面１８に垂直に近い状態で入射するため、２次元像内の広域にわたって透過効率を高くできる。
【００２６】
光走査装置１０において、凹面ミラー１７を用いることにより、以下のような効果を奏する。第１に、凹面ミラー１７は波長分散を有さないため、被走査面１８上の画像の色ずれを低減できる。第２に、凹面ミラー１７は光束の走査角を縮減させるため、被走査面１８上の画像の色ずれを低減できる。第３に、被走査面１８の入射角を全走査角において低減することができ、被走査面１８の輝度を増大することができる。ここで、色ずれとは、波長の異なる光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂにより被走査面１８に形成される複数のスポットの位置ずれを指す。第４に、凹面ミラー１７で光路を折り返すことにより、光走査装置１０を小型化できる。
【００２７】
又、凹面ミラー１７は、少なくとも１の方向において非円弧面形状を有することにより、被走査面１８上の速度特性を補正できる。つまり、光偏向器１６により偏向された光束に等速性を与え、被走査面１８上の画素ピッチを均一化できる。
【００２８】
なお、凹面ミラー１７に代えて被走査面１８の直前にフレネルレンズや屈折レンズを設けることもできるが、フレネルレンズを設けた場合にはフレネルレンズの鋸歯形状のバックカット部に影が生じ、光量損失が生じる点で好ましくない。又、屈折レンズを設けた場合には複数の光束に分散が生じ、複数の光束が波長に応じてずれてしまい、色ずれが生じる点で好ましくない。
【００２９】
被走査面１８は、凹面ミラー１７で反射された光束が入射して２次元像が形成される透過性を有する面である。被走査面１８としては、例えば、拡散板を用いることができる。拡散板は、入射光をその進行方向側に拡散させる機能を有する。拡散板に代えてマイクロレンズアレイを用いることもできるが、マイクロレンズアレイは各レンズ間で影が生じるため光量損失が大きく、光利用効率が低下する点で好ましくない。
【００３０】
一方、拡散板は表面形状の設計によって透過光の拡散角を選択できるので、後続の光学系に送り込む光束の光量損失を少なくできる点で好ましい。例えば、拡散板の表面に使用波長或いはそれ以下のランダムな微少凹凸を形成したり、ライン状の凹凸を形成したりすることにより、高い透過率を維持しながら必要な範囲だけに光を拡散することが可能となり、後続の光学系に送り込む光束の光量損失を少なくできる。
【００３１】
ここで、図５を参照しながら、光偏向器１６及び凹面ミラー１７の配置について更に詳しく説明する。図５は、光偏向器及び凹面ミラーの配置について説明するための図である。図５を参照するに、光偏向器１６と凹面ミラー１７とは、全光束について、互いにその偏角（入射光束と出射光束とがなす角）の符号が反対になるように配置されている。光偏向器１６と凹面ミラー１７をＹＺ平面に垂直な方向（Ｘ方向）から見ると、光偏向器１６に入射し光偏向器１６で偏向されて凹面ミラー１７で反射する光束の光路は"Ｚ"の文字を描く。
【００３２】
図５のＹＺ平面において、入射光束の進行方向から数えて左回り角度を正の偏角と定義すると、光偏向器１６においては偏角１６ｄは負であり、凹面ミラー１７においては偏角１７ｄは正である。このように、光偏向器１６と凹面ミラー１７とは、互いにその偏角の符号が反対になるように配置されている。このような配置を採用することにより、被走査面１８の上端及び下端に達する光束の光路差が減少するため、被走査面１８上の画像の台形歪や曲がりを低減できる。
【００３３】
なお、このような配置を採用せずに画像に台形歪や曲がりが発生した場合に、電気的に補正することも可能であるが、無効な画素が生じるため、画像が暗くなる問題がある。本実施の形態では、電気的に補正しなくても画像の台形歪や曲がりを低減できるため、明るさや高画質を確保できる。
【００３４】
このように、光走査装置１０では、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂから出射された互いに波長の異なる光束を２次元的に走査し被走査面１８上に多色画像を形成する光走査装置１０において、光路中に光偏向器１６と凹面ミラー１７とを互いにその偏角の符号が反対になるように配置している。これにより、以下の効果を奏する。
【００３５】
すなわち、凹面ミラー１７を用いることにより、被走査面１８上の画像の色ずれを低減できる。又、凹面ミラー１７を用いることにより、被走査面１８の入射角を全走査角において低減することができ、被走査面１８の輝度を増大することができる。又、光偏向器１６と凹面ミラー１７とを互いにその偏角の符号が反対になるように配置することにより、被走査面１８の上端及び下端に達する光束の光路差が減少するため、被走査面１８上の画像の台形歪、曲がりを低減できる。又、凹面ミラー１７を用いることにより、光走査装置１０を小型化できる。つまり、画像の明るさや画質を確保しながら光走査装置１０の小型化を実現できる。
【００３６】
次に、図１に戻り、第１ミラー２１、第２ミラー２２、半透過鏡２３について説明する。第１の実施の形態では、第１ミラー２１として凸面ミラー、第２ミラー２２として凹面ミラー、半透過鏡２３として反射面が平面の半透過鏡を用いる例を示す。但し、後述の実施例で示すように、第１ミラー２１と第２ミラー２２の少なくとも一方が凸面ミラーであればよい。なお、第１ミラー２１と第２ミラー２２とを含めて投射光学系と称する場合がある。
【００３７】
画像形成装置２０において、光走査装置１０の被走査面１８を透過した各光束は、第１ミラー２１により折り返されて（反射されて）、第２ミラー２２に入射する。第２ミラー２２に入射した各光束は、第２ミラー２２により折り返されて（反射されて）、半透過鏡２３に入射する。
【００３８】
画像形成装置２０では、凸面ミラーである第１ミラー２１を被走査面１８の直後に配置しているため、画像形成装置２０の光学系に入り込む太陽光が凸面ミラーである第１ミラー２１で放散される。そのため、画像形成装置２０の光学系に入り込む太陽光が被走査面１８に集中することを防止できる。又、凸面ミラーは、有限な発散角を有する中間像を更に広画角にし、光路長を短くすることができ、小型化に適している。又、凸面ミラーは、レンズに対して色収差が発生しないというメリットも有する。
【００３９】
半透過鏡２３は、可視域の透過率が１０〜７０％である鏡であり、第２ミラー２２により折り返された光束が入射する側に、例えば、誘電体多層膜或いはワイヤーグリッド等が形成された反射面を有する。半透過鏡２３の反射面は、光源素子が出射する光束の波長帯を選択的に反射するものとすることができる。すなわち、波長λＲ,λＧ,及びλＢを包含する反射ピークや反射バンドを有するものや、特定の偏向方向に対して反射率を強めるように形成されたものとすることができる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、前述のように、半透過鏡２３の反射面は平面であるが、反射面の反対側の面は反射面と略平行である。つまり、半透過鏡２３の厚さは略一定である。
【００４１】
つまり、半透過鏡２３は、光走査装置１０の光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂが放出する光束の波長帯を選択的に反射する。そのため、光走査装置１０から放出される特定波長の複数の画像光による明るさを増大することができる。
【００４２】
なお、第１ミラー２１の反射面は、アナモフィックとすることができる。つまり、第１ミラー２１の反射面は、所定方向の曲率と、それに直交する方向の曲率とが異なる反射面とすることができる。第１ミラー２１の反射面をアナモフィックとすることにより、反射面の曲面形状を調整可能となり、収差補正性能を向上できる。
【００４３】
図６は、被走査面及び半透過鏡の位置関係を説明するための図である。図６に示すように、画像形成装置２０において、被走査面１８と半透過鏡２３とは、被走査面１８の法線１８ｈが半透過鏡２３と交差しないように配置されている。このように配置することにより、被走査面１８から放射される迷光が半透過鏡２３に映りこまないため、ゴースト像の発生を防止できる。
【００４４】
なお、図６では、法線１８ｈとして３本のみを示しているが、被走査面１８と半透過鏡２３とは、被走査面１８の全ての法線（図６に示した３本の法線１８ｈも含む）が半透過鏡２３と交差しないように配置されている。
【００４５】
ここで、光走査装置１０の被走査面１８を透過した各光束の断面形状（光の進行方向と垂直な方向の形状）について説明する。図７は、被走査面を透過した各光束の断面形状を説明するための図である。但し、図７では、便宜上、光偏向器１６から虚像２５まで光路を一直線で示している。
【００４６】
図７に示すように、光走査装置１０の被走査面１８を透過した各光束の断面形状１８ｄを楕円とすることができる。つまり、被走査面１８として拡散板を用い、拡散板で拡散された各光束の断面形状を楕円とすることができる。例えば、虚像２５のアスペクト比（縦（Ｙ方向）：横（Ｘ方向））が１：４である場合、各光束の断面形状１８ｄを縦横比がおおよそ１：４である楕円とすると好適である。
【００４７】
このように、被走査面１８として拡散板を用い、拡散板で拡散された各光束の断面形状１８ｄを楕円とし、楕円の長軸方向を虚像２５の長手方向と一致させることにより、被走査面１８から出射される光線のほぼ全てが結像に寄与する光学系を実現できる。
【００４８】
Ｘ方向に長い被走査面１８を同じくＸ方向に長い虚像２５に結像させる場合、例えば、各光束の断面形状１８ｄを円形とすると、Ｙ方向での光利用効率が低下し、高輝度な像を得ることができない。一方、光走査装置１０では、光束の断面形状１８ｄを、縦横比が虚像２５のアスペクト比に対応する楕円としているため、Ｙ方向での光利用効率が向上し、高輝度な像を得ることができる。
【００４９】
画像形成装置２０は、乗用車等の車両に搭載することができる。その際、半透過鏡２３は、車両のフロントウィンドウ等と一体化されてもよい。画像形成装置２０を乗用車等の車両において運転者の前方に配置することにより、半透過鏡２３の反射面（フロントウィンドウ等と一体化されている場合もある）で反射された光束は、運転席にいる運転者の眼球２４へ入射し、被走査面１８の２次元像が、半透過鏡２３の反射面（フロントウィンドウ等と一体化されている場合もある）よりも前方の所定の位置に拡大された虚像２５として視認される。
【００５０】
つまり、画像形成装置２０により、所謂ヘッドアップディスプレイを実現できる。この場合、被走査面１８の２次元像としては、例えば、車両の計器情報や地図情報等を挙げることができる。虚像２５は半透過鏡２３の反射面（フロントウィンドウ等と一体化されている場合もある）よりも前方の所定の位置にあるため、運転者は運転中に前景を見ている状態で焦点を大きく移動することなく、車両の計器情報や地図情報等を視認できる。
【００５１】
このように、画像形成装置２０では、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過鏡２３により、光走査装置１０の被走査面１８上に形成された２次元像の拡大された虚像２５を得ることが可能となり、所謂ヘッドアップディスプレイを実現できる。
【００５２】
なお、以上の説明から明らかなように、画像形成装置２０の構成要素として、半透過鏡２３を含む場合と、半透過鏡２３を含まない場合がある。画像形成装置２０の構成要素として半透過鏡２３を含まない場合には、半透過鏡２３の機能を車両のフロントウィンドウ等に持たせることができる。
【００５３】
このように、第１の実施の形態に係る画像形成装置は、光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、凸面ミラーを含む投射光学系とを有する。
【００５４】
光走査装置を備えていることにより、中間像以降の発散角設定が可能（中間像の発散角を制御するのが容易）となり、光偏向器以降の光学系において光量ロスの少ない高効率な光学系を実現できる。高効率な光学系を実現できる結果、大型の光源素子を使うことなく高輝度画像を得ることができる。つまり、被走査面の発散角を適切な値に設定することにより、光量ロスの低減が可能となり、高輝度画像を得ることができる。
【００５５】
又、凸面ミラーを含む投射光学系を備えていることにより、例えば、光源素子として半導体レーザを用いた場合のレーザ走査による狭い発散角の中間像を、凸面ミラーにより広画角にすることが可能となるため、画像形成装置の大画面化及び小型化を実現できる。
【００５６】
すなわち、光走査装置と凸面ミラーを含む投射光学系とを備えていることにより、画像形成装置の高輝度化、大画面化、及び小型化を同時に実現できる。
【００５７】
なお、高輝度化、大画面化、及び小型化を同時に実現することは、光走査を行わないパネル型（液晶パネルやデジタル・ライト・プロセッシング等の非走査型）の画像形成装置では困難である。光量ロスが発生しないように中間像からの光発散角を制御することが難しいからである。又、パネル型の画像形成装置を高輝度化するためには、１画面を包括して照明する強力な光源が必要となり、実用上ヒートシンク等の放熱手段が大掛かりになり、小型化の妨げとなる。
【００５８】
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは光学素子の配置が異なる光走査装置の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００５９】
図８は、第１の実施の形態の変形例１に係る光走査装置の光路を例示する図である。図８は、光走査装置１０Ａを図３と同様の方向から視た図である。但し、図８では図３と同様に光偏向器１６、凹面ミラー１７、及び被走査面１８は図示が省略されている。なお、光走査装置１０Ａにおいて、光偏向器１６、凹面ミラー１７、及び被走査面１８の配置は、光走査装置１０と同様である。
【００６０】
図８を参照するに、光走査装置１０Ａでは、光源素子１１Ｒ、カップリングレンズ１２Ｒ、及びアパーチャ１３Ｒと、光源素子１１Ｇ、カップリングレンズ１２Ｇ、及びアパーチャ１３Ｇと、光源素子１１Ｂ、カップリングレンズ１２Ｂ、及びアパーチャ１３Ｂとが、それぞれの光束の進行方向が略平行となるように並設されている。
【００６１】
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂで整形された各光束が合成素子１４に入射して光路合成される点、及び合成素子１４以降の光学系に関しては、光走査装置１０と同様である。
【００６２】
このように、光源素子、カップリングレンズ、アパーチャ、合成素子等の配置は、適宜決定することができる。画像形成装置２０において、光走査装置１０に代えて光走査装置１０Ａを用いることができる。
【００６３】
以下、実施例について説明する。各実施例は、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過鏡２３の設計例である。
【００６４】
〈実施例１〉
図９は、実施例１に係る光学系を例示する図である。図９に示すように、実施例１は、第１ミラー２１として凸面ミラー、第２ミラー２２として凹面ミラー、半透過鏡２３として反射面が平面の半透過鏡を用いる例である。
【００６５】
実施例１において、被走査面１８を出射する光束は凸面ミラーである第１ミラー２１に入射するが、凸面ミラーである第１ミラー２１は、放射角を拡大し、画像形成装置２０の全体の光路長を短縮する効果を有する。
【００６６】
拡大された虚像２５を運転者に観察させるには、最終のパワー面は光束を集束させるパワーを持たなければならない。実施例１では半透過２３が平面であるため、第２ミラー２２を凹面ミラーとし、投射光学系全体として正のパワーを持たせている。実施例１の構成によれば、投射光学系の深さ（図９中横方向）を半透過鏡２３の有効径に近い大きさとすることができる。
【００６７】
以下の表１〜３に実施例１の光学データを示す。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
なお、虚像２５の像面位置は、運転者の眼球２４から２ｍ先とした。又、虚像２５の像面画角は、１２×３ｄｅｇとした。
【００７１】
〈実施例２〉
図１０は、実施例２に係る光学系を例示する図である。図１０に示すように、実施例２は、第１ミラー２１として凸面ミラー、第２ミラー２２として平面ミラー、半透過鏡２３として反射面が凹面の半透過鏡を用いる例である。なお、本実施例では、半透過鏡２３の反射面は凹面であるが、反射面の反対側の面は反射面と略平行である。つまり、半透過鏡２３の厚さは略一定である。
【００７２】
実施例２において、第１ミラー２１の凸面は、所定方向の曲率と、それに直交する方向の曲率とが異なるアナモフィック面である。第１ミラー２１の凸面をアナモフィック面とすることにより、凸面の曲面形状を調整可能となり、収差補正性能を向上できる。
【００７３】
図１１は、実施例２に係る半透過鏡を例示する図である。図１１に示すように、半透過鏡２３において、凹面の最深点２３ｃの位置は凹面の光学中心２３ｂの位置に対して投射光学系側に約数１０ｍｍずれている。ここで、光学中心２３ｂとは、半透過鏡２３のうち観察者の視界に入る全領域２３ａの重心である。又、最深点２３ｃとは、半透過鏡２３のうち観察者の視界に入る全領域２３ａの中で最も凹んだ部分である。
【００７４】
このように、実施例２では、半透過鏡２３の観測者側の面は偏心面となっている。半透過鏡２３の観測者側の面を偏心面とすることにより、第２ミラー２２から半透過鏡２３の第２ミラー２２に近い側に入射する光線と、第２ミラー２２から半透過鏡２３の第２ミラー２２から遠い側に入射する光線との光路バランスをとることができる。その結果、画像形成装置２０で発生する歪みを低減できる。
【００７５】
なお、実施例２では、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過２３全体として正のパワーを持たせている。
【００７６】
以下の表４〜６に実施例２の光学データを示す。
【００７７】
【表４】
【００７８】
【表５】
【００７９】
【表６】
なお、虚像２５の像面位置は、運転者の眼球２４から２ｍ先とした。又、虚像２５の像面画角は、６×２ｄｅｇとした。
【００８０】
〈実施例３〉
図１２は、実施例３に係る光学系を例示する図である。図１２に示すように、実施例３は、第１ミラー２１として凹面ミラー、第２ミラー２２として凸面ミラー、半透過鏡２３として反射面が凹面の半透過鏡を用いる例である。なお、本実施例では、半透過鏡２３の反射面は凹面であるが、反射面の反対側の面は反射面と略平行である。つまり、半透過鏡２３の厚さは略一定である。
【００８１】
実施例３において、被走査面１８の放射角はＸ方向が１０．５度、Ｙ方向が３．５度であり、それに一致するように走査光学系が設計されている。第１ミラー２１の凹面は、所定方向の曲率と、それに直交する方向の曲率とが異なるアナモフィック面である。第１ミラー２１の凹面をアナモフィック面とすることにより、凹面の曲面形状を調整可能となり、収差補正性能を向上できる。
【００８２】
実施例３では、実施例１及び２と比較して、被走査面１８の放射角を広く設計している。これにより、被走査面１８から半透過鏡２３までの光路長が短縮され、高さ（図１２中縦方向）及び深さ（図１２中横方向）において、被走査面１８から半透過鏡２３を、半透過鏡２３の大きさ以下に収納することができる。
【００８３】
なお、実施例３では、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過２３全体として正のパワーを持たせている。
【００８４】
以下の表７〜９に実施例３の光学データを示す。
【００８５】
【表７】
【００８６】
【表８】
【００８７】
【表９】
なお、虚像２５の像面位置は、運転者の眼球２４から２ｍ先とした。又、虚像２５の像面画角は、６×２ｄｅｇとした。
【００８８】
以上、好ましい実施の形態及びその変形例並びに実施例について詳説したが、上述した実施の形態及びその変形例並びに実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例並びに実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００８９】
例えば、各実施の形態及びその変形例では、光走査装置１０において、３つの光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを用いる例を示したが、単一の光源素子を用いて単色の画像を形成する構成としてもよい。この場合には、合成素子１４は省略できる。
【００９０】
又、車両の一例として乗用車を挙げたが、航空機や電車等の他の車両にも本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、１０Ａ 光走査装置
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ 光源素子
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ カップリングレンズ
１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ アパーチャ
１４ 合成素子
１５ レンズ
１５ａ レンズ１５の第１面
１５ｂ レンズ１５の第２面
１５Ｂ、１５Ｒ 光束
１６ 光偏向器
１６ｄ、１７ｄ 偏角
１７ 凹面ミラー
１８ 被走査面
１８ｄ 光束の断面形状
１８ｈ 被走査面の法線
２０ 画像形成装置
２１ 第１ミラー
２２ 第２ミラー
２３ 半透過鏡
２３ａ 領域
２３ｂ 光学中心
２３ｃ 最深点
２４ 運転者の眼球
２５ 虚像
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９２】
【特許文献１】特開２０１０−１４５７４５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４５７４６号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源素子から出射される光束を走査して２次元像を形成する光走査装置を備えた画像形成装置、前記画像形成装置を搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２次元走査するミラーに多色の光束を入射させ、カラー２次元像を得る光走査装置が広く提案されている。特に、光源として半導体レーザを用いた光走査装置では、半導体レーザの放出する光束の高い指向性により、高い光利用効率が得られる。又、半導体レーザを用いた光走査装置では、キセノンランプのような巨大な放熱器を設けることなく、機器内で強い光を発することができ、かつ、指向性の高さから小型な光学系においても明るい画像を形成できる。
【０００３】
半導体レーザを用いた光走査装置を用いて、ヘッドアップディスプレイ等の画像形成装置を実現できる。このような画像形成装置は例えば乗用車等に組み込まれるため、小型化が必然的に求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、画像形成装置の小型化を追求すると、高輝度化や大画面化が犠牲になるという問題が発生する。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高輝度化や大画面化を犠牲にすることなく小型化を実現できる画像形成装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本画像形成装置は、光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、前記２次元像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、前記被投射面は、外部に設けられた、可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡の反射面であり、前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいることを要件とする。
【発明の効果】
【０００７】
開示の技術によれば、高輝度化や大画面化を犠牲にすることなく小型化を実現できる画像形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態に係る画像形成装置を例示する図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その１）である。
【図３】第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その２）である。
【図４】レンズ１５について説明するための図である。
【図５】光偏向器及び凹面ミラーの配置について説明するための図である。
【図６】被走査面及び半透過鏡の位置関係を説明するための図である。
【図７】被走査面を透過した各光束の断面形状を説明するための図である。
【図８】第１の実施の形態の変形例１に係る光走査装置の光路を例示する図である。
【図９】実施例１に係る光学系を例示する図である。
【図１０】実施例２に係る光学系を例示する図である。
【図１１】実施例２に係る半透過鏡を例示する図である。
【図１２】実施例３に係る光学系を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１０】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る画像形成装置を例示する図である。図１を参照するに、画像形成装置２０は、大略すると、光走査装置１０と、第１ミラー２１と、第２ミラー２２と、半透過鏡２３とを有する。但し、後述するように、半透過鏡２３は、画像形成装置２０の必須の構成要素ではない。なお、図１において、２４は観測者の眼球（以降、眼球２４とする）を、２５は虚像（以降、虚像２５とする）を示している。
【００１１】
まず、光走査装置１０について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その１）である。図３は、第１の実施の形態に係る光走査装置の光路を例示する図（その２）である。図２及び図３は、それぞれ光走査装置１０を異なる方向から視た図である。但し、図３では図２に示す光偏向器１６、凹面ミラー１７、及び被走査面１８は図示が省略されている。
【００１２】
図２及び図３を参照するに、光走査装置１０は、大略すると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂと、カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂと、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂと、合成素子１４と、レンズ１５と、光偏向器１６と、凹面ミラー１７と、被走査面１８とを有する。
【００１３】
なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂと、カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂと、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂと、合成素子１４と、レンズ１５とを含めて入射光学系と称する場合がある。又、光偏向器１６と、凹面ミラー１７と、被走査面１８とを含めて走査光学系と称する場合がある。
【００１４】
光走査装置１０において、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、それぞれ、互いに異なる波長λＲ、λＧ、及びλＢの光束を出射することができる。波長λＲ、λＧ、及びλＢは、例えば、それぞれ、６４０ｎｍ、５３０ｎｍ、及び４４５ｎｍとすることができる。光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとしては、例えば、レーザ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子等を用いることができる。
【００１５】
明るさや高画質を確保しながら小型化を実現する観点からすると、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂとして、それぞれ半導体レーザを用いると好適である。光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂは、制御手段（図示せず）により、出射パワーや出射タイミング等を制御される。なお、制御手段（図示せず）は、光走査装置１０の内部に設けてもよいし、外部に設けてもよい。
【００１６】
光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂから画像信号の内容に応じて出射された各光束（発散光）は、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂで略平行光又は収束光に変換されてアパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂに入射する。カップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂとしては、例えば、凸状のガラスレンズやプラスティックレンズ等を用いることができる。
【００１７】
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束を整形する機能を有する。アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂは、それぞれに入射される光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等の様々な形状とすることができる。
【００１８】
なお、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、共通の１つのカップリングレンズ、及び共通の１つのアパーチャを設ける構成としてもよい。但し、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂに対して、それぞれカップリングレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、及び１２Ｂ、並びに、アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂを設けることにより、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂのそれぞれの発散角の差異に関わらず、光利用効率を確保しながら、被走査面１８上のビームスポット径を所望の値に調整できるメリットがある。
【００１９】
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂで整形された各光束は、合成素子１４に入射し光路合成される。合成素子１４は、例えば、プレート状或いはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて各光束を反射又は透過し、１つの光路に合成する機能を有する。
【００２０】
合成素子１４で光路合成された各光束は、レンズ１５により光偏向器１６の反射面に向かって導かれる。レンズ１５としては、例えば、凹面側を光偏向器１６に向けて配置された単一のメニスカスレンズ等を用いることができる。ここで、図４を参照しながら、レンズ１５について更に詳しく説明する。
【００２１】
図４は、レンズ１５について説明するための図である。図４において、１５Ｒ及び１５Ｂは、レンズ１５に入射する互いに波長の異なる２つの光束を示している。レンズ１５の第２面１５ｂから出射される光束１５Ｒ及び１５Ｂは、光偏向器１６の反射面に納まる大きさで出射されることが好ましい。レンズ１５は、アパーチャ１３Ｒ及び１３Ｂで取り込んだ光束１５Ｒ及び１５Ｂをできるだけ小さくして光偏向器１６に送り込む必要があるため、レンズ１５の第１面１５ａは光束１５Ｒ及び１５Ｂのそれぞれの光束径を集束させるために凸面であることが好ましい。
【００２２】
ここで、光束１５Ｒを長波長、光束１５Ｂを短波長の光束とすると、第１面１５ａでの集光状態は図４に示したように光束１５Ｒと光束１５Ｂとの間で異なる（分散する）。レンズ１５がメニスカスレンズでない他の形態（両凸レンズや平凸レンズ等）であると、出射する光束１５Ｒ及び１５Ｂの発散角は波長に応じてばらついてしまう。
【００２３】
レンズ１５として、第２面１５ｂを凹面としたメニスカスレンズを用いることにより、第1面１５ａで分散した光束１５Ｒ及び１５Ｂは、第２面１５ｂで発散度合いが再び戻される方向に屈折する。その結果、異なる波長の光束１５Ｒ及び１５Ｂが入射するレンズ１５において、出射する光束１５Ｒ及び１５Ｂの発散度合いのばらつきを収束して光偏向器１６に送ることができるため、特定の波長の光束の光量が損失されることなく、画像の輝度を向上することが可能となる。
【００２４】
図２及び図３に戻り、入射光学系から出射され光偏向器１６の反射面に導かれた光束は、光偏向器１６により２次元的に偏向される。光偏向器１６としては、例えば、直交する２軸に対して揺動する１つの微小なミラーや、１軸に揺動又は回動する２つの微小なミラー等を用いることができる。光偏向器１６は、例えば、半導体プロセス等で作製されたＭＥＭＳとすることができる。光偏向器１６は、例えば、圧電素子の変形力を駆動力とするアクチュエータにより駆動することができる。
【００２５】
光偏向器１６により２次元的に偏向された光束は、凹面ミラー１７に入射し、凹面ミラー１７により折り返されて被走査面１８に２次元像を描画する。被走査面１８に入射する光束は、光偏向器１６に入射する光束の進行方向と成す角が近いことが好ましい。このような配置により、被走査面１８上での２次元像の歪を低減できる。又、光束が被走査面１８に垂直に近い状態で入射するため、２次元像内の広域にわたって透過効率を高くできる。
【００２６】
光走査装置１０において、凹面ミラー１７を用いることにより、以下のような効果を奏する。第１に、凹面ミラー１７は波長分散を有さないため、被走査面１８上の画像の色ずれを低減できる。第２に、凹面ミラー１７は光束の走査角を縮減させるため、被走査面１８上の画像の色ずれを低減できる。第３に、被走査面１８の入射角を全走査角において低減することができ、被走査面１８の輝度を増大することができる。ここで、色ずれとは、波長の異なる光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂにより被走査面１８に形成される複数のスポットの位置ずれを指す。第４に、凹面ミラー１７で光路を折り返すことにより、光走査装置１０を小型化できる。
【００２７】
又、凹面ミラー１７は、少なくとも１の方向において非円弧面形状を有することにより、被走査面１８上の速度特性を補正できる。つまり、光偏向器１６により偏向された光束に等速性を与え、被走査面１８上の画素ピッチを均一化できる。
【００２８】
なお、凹面ミラー１７に代えて被走査面１８の直前にフレネルレンズや屈折レンズを設けることもできるが、フレネルレンズを設けた場合にはフレネルレンズの鋸歯形状のバックカット部に影が生じ、光量損失が生じる点で好ましくない。又、屈折レンズを設けた場合には複数の光束に分散が生じ、複数の光束が波長に応じてずれてしまい、色ずれが生じる点で好ましくない。
【００２９】
被走査面１８は、凹面ミラー１７で反射された光束が入射して２次元像が形成される透過性を有する面である。被走査面１８としては、例えば、拡散板を用いることができる。拡散板は、入射光をその進行方向側に拡散させる機能を有する。拡散板に代えてマイクロレンズアレイを用いることもできるが、マイクロレンズアレイは各レンズ間で影が生じるため光量損失が大きく、光利用効率が低下する点で好ましくない。
【００３０】
一方、拡散板は表面形状の設計によって透過光の拡散角を選択できるので、後続の光学系に送り込む光束の光量損失を少なくできる点で好ましい。例えば、拡散板の表面に使用波長或いはそれ以下のランダムな微少凹凸を形成したり、ライン状の凹凸を形成したりすることにより、高い透過率を維持しながら必要な範囲だけに光を拡散することが可能となり、後続の光学系に送り込む光束の光量損失を少なくできる。
【００３１】
ここで、図５を参照しながら、光偏向器１６及び凹面ミラー１７の配置について更に詳しく説明する。図５は、光偏向器及び凹面ミラーの配置について説明するための図である。図５を参照するに、光偏向器１６と凹面ミラー１７とは、全光束について、互いにその偏角（入射光束と出射光束とがなす角）の符号が反対になるように配置されている。光偏向器１６と凹面ミラー１７をＹＺ平面に垂直な方向（Ｘ方向）から見ると、光偏向器１６に入射し光偏向器１６で偏向されて凹面ミラー１７で反射する光束の光路は"Ｚ"の文字を描く。
【００３２】
図５のＹＺ平面において、入射光束の進行方向から数えて左回り角度を正の偏角と定義すると、光偏向器１６においては偏角１６ｄは負であり、凹面ミラー１７においては偏角１７ｄは正である。このように、光偏向器１６と凹面ミラー１７とは、互いにその偏角の符号が反対になるように配置されている。このような配置を採用することにより、被走査面１８の上端及び下端に達する光束の光路差が減少するため、被走査面１８上の画像の台形歪や曲がりを低減できる。
【００３３】
なお、このような配置を採用せずに画像に台形歪や曲がりが発生した場合に、電気的に補正することも可能であるが、無効な画素が生じるため、画像が暗くなる問題がある。本実施の形態では、電気的に補正しなくても画像の台形歪や曲がりを低減できるため、明るさや高画質を確保できる。
【００３４】
このように、光走査装置１０では、光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂから出射された互いに波長の異なる光束を２次元的に走査し被走査面１８上に多色画像を形成する光走査装置１０において、光路中に光偏向器１６と凹面ミラー１７とを互いにその偏角の符号が反対になるように配置している。これにより、以下の効果を奏する。
【００３５】
すなわち、凹面ミラー１７を用いることにより、被走査面１８上の画像の色ずれを低減できる。又、凹面ミラー１７を用いることにより、被走査面１８の入射角を全走査角において低減することができ、被走査面１８の輝度を増大することができる。又、光偏向器１６と凹面ミラー１７とを互いにその偏角の符号が反対になるように配置することにより、被走査面１８の上端及び下端に達する光束の光路差が減少するため、被走査面１８上の画像の台形歪、曲がりを低減できる。又、凹面ミラー１７を用いることにより、光走査装置１０を小型化できる。つまり、画像の明るさや画質を確保しながら光走査装置１０の小型化を実現できる。
【００３６】
次に、図１に戻り、第１ミラー２１、第２ミラー２２、半透過鏡２３について説明する。第１の実施の形態では、第１ミラー２１として凸面ミラー、第２ミラー２２として凹面ミラー、半透過鏡２３として反射面が平面の半透過鏡を用いる例を示す。但し、後述の実施例で示すように、第１ミラー２１と第２ミラー２２の少なくとも一方が凸面ミラーであればよい。なお、第１ミラー２１と第２ミラー２２とを含めて投射光学系と称する場合がある。
【００３７】
画像形成装置２０において、光走査装置１０の被走査面１８を透過した各光束は、第１ミラー２１により折り返されて（反射されて）、第２ミラー２２に入射する。第２ミラー２２に入射した各光束は、第２ミラー２２により折り返されて（反射されて）、半透過鏡２３に入射する。
【００３８】
画像形成装置２０では、凸面ミラーである第１ミラー２１を被走査面１８の直後に配置しているため、画像形成装置２０の光学系に入り込む太陽光が凸面ミラーである第１ミラー２１で放散される。そのため、画像形成装置２０の光学系に入り込む太陽光が被走査面１８に集中することを防止できる。又、凸面ミラーは、有限な発散角を有する中間像を更に広画角にし、光路長を短くすることができ、小型化に適している。又、凸面ミラーは、レンズに対して色収差が発生しないというメリットも有する。
【００３９】
半透過鏡２３は、可視域の透過率が１０〜７０％である鏡であり、第２ミラー２２により折り返された光束が入射する側に、例えば、誘電体多層膜或いはワイヤーグリッド等が形成された反射面を有する。半透過鏡２３の反射面は、光源素子が出射する光束の波長帯を選択的に反射するものとすることができる。すなわち、波長λＲ,λＧ,及びλＢを包含する反射ピークや反射バンドを有するものや、特定の偏向方向に対して反射率を強めるように形成されたものとすることができる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、前述のように、半透過鏡２３の反射面は平面であるが、反射面の反対側の面は反射面と略平行である。つまり、半透過鏡２３の厚さは略一定である。
【００４１】
つまり、半透過鏡２３は、光走査装置１０の光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂが放出する光束の波長帯を選択的に反射する。そのため、光走査装置１０から放出される特定波長の複数の画像光による明るさを増大することができる。
【００４２】
なお、第１ミラー２１の反射面は、アナモフィックとすることができる。つまり、第１ミラー２１の反射面は、所定方向の曲率と、それに直交する方向の曲率とが異なる反射面とすることができる。第１ミラー２１の反射面をアナモフィックとすることにより、反射面の曲面形状を調整可能となり、収差補正性能を向上できる。
【００４３】
図６は、被走査面及び半透過鏡の位置関係を説明するための図である。図６に示すように、画像形成装置２０において、被走査面１８と半透過鏡２３とは、被走査面１８の法線１８ｈが半透過鏡２３と交差しないように配置されている。このように配置することにより、被走査面１８から放射される迷光が半透過鏡２３に映りこまないため、ゴースト像の発生を防止できる。
【００４４】
なお、図６では、法線１８ｈとして３本のみを示しているが、被走査面１８と半透過鏡２３とは、被走査面１８の全ての法線（図６に示した３本の法線１８ｈも含む）が半透過鏡２３と交差しないように配置されている。
【００４５】
ここで、光走査装置１０の被走査面１８を透過した各光束の断面形状（光の進行方向と垂直な方向の形状）について説明する。図７は、被走査面を透過した各光束の断面形状を説明するための図である。但し、図７では、便宜上、光偏向器１６から虚像２５まで光路を一直線で示している。
【００４６】
図７に示すように、光走査装置１０の被走査面１８を透過した各光束の断面形状１８ｄを楕円とすることができる。つまり、被走査面１８として拡散板を用い、拡散板で拡散された各光束の断面形状を楕円とすることができる。例えば、虚像２５のアスペクト比（縦（Ｙ方向）：横（Ｘ方向））が１：４である場合、各光束の断面形状１８ｄを縦横比がおおよそ１：４である楕円とすると好適である。
【００４７】
このように、被走査面１８として拡散板を用い、拡散板で拡散された各光束の断面形状１８ｄを楕円とし、楕円の長軸方向を虚像２５の長手方向と一致させることにより、被走査面１８から出射される光線のほぼ全てが結像に寄与する光学系を実現できる。
【００４８】
Ｘ方向に長い被走査面１８を同じくＸ方向に長い虚像２５に結像させる場合、例えば、各光束の断面形状１８ｄを円形とすると、Ｙ方向での光利用効率が低下し、高輝度な像を得ることができない。一方、光走査装置１０では、光束の断面形状１８ｄを、縦横比が虚像２５のアスペクト比に対応する楕円としているため、Ｙ方向での光利用効率が向上し、高輝度な像を得ることができる。
【００４９】
画像形成装置２０は、乗用車等の車両に搭載することができる。その際、半透過鏡２３は、車両のフロントウィンドウ等と一体化されてもよい。画像形成装置２０を乗用車等の車両において運転者の前方に配置することにより、半透過鏡２３の反射面（フロントウィンドウ等と一体化されている場合もある）で反射された光束は、運転席にいる運転者の眼球２４へ入射し、被走査面１８の２次元像が、半透過鏡２３の反射面（フロントウィンドウ等と一体化されている場合もある）よりも前方の所定の位置に拡大された虚像２５として視認される。
【００５０】
つまり、画像形成装置２０により、所謂ヘッドアップディスプレイを実現できる。この場合、被走査面１８の２次元像としては、例えば、車両の計器情報や地図情報等を挙げることができる。虚像２５は半透過鏡２３の反射面（フロントウィンドウ等と一体化されている場合もある）よりも前方の所定の位置にあるため、運転者は運転中に前景を見ている状態で焦点を大きく移動することなく、車両の計器情報や地図情報等を視認できる。
【００５１】
このように、画像形成装置２０では、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過鏡２３により、光走査装置１０の被走査面１８上に形成された２次元像の拡大された虚像２５を得ることが可能となり、所謂ヘッドアップディスプレイを実現できる。
【００５２】
なお、以上の説明から明らかなように、画像形成装置２０の構成要素として、半透過鏡２３を含む場合と、半透過鏡２３を含まない場合がある。画像形成装置２０の構成要素として半透過鏡２３を含まない場合には、半透過鏡２３の機能を車両のフロントウィンドウ等に持たせることができる。
【００５３】
このように、第１の実施の形態に係る画像形成装置は、光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、凸面ミラーを含む投射光学系とを有する。
【００５４】
光走査装置を備えていることにより、中間像以降の発散角設定が可能（中間像の発散角を制御するのが容易）となり、光偏向器以降の光学系において光量ロスの少ない高効率な光学系を実現できる。高効率な光学系を実現できる結果、大型の光源素子を使うことなく高輝度画像を得ることができる。つまり、被走査面の発散角を適切な値に設定することにより、光量ロスの低減が可能となり、高輝度画像を得ることができる。
【００５５】
又、凸面ミラーを含む投射光学系を備えていることにより、例えば、光源素子として半導体レーザを用いた場合のレーザ走査による狭い発散角の中間像を、凸面ミラーにより広画角にすることが可能となるため、画像形成装置の大画面化及び小型化を実現できる。
【００５６】
すなわち、光走査装置と凸面ミラーを含む投射光学系とを備えていることにより、画像形成装置の高輝度化、大画面化、及び小型化を同時に実現できる。
【００５７】
なお、高輝度化、大画面化、及び小型化を同時に実現することは、光走査を行わないパネル型（液晶パネルやデジタル・ライト・プロセッシング等の非走査型）の画像形成装置では困難である。光量ロスが発生しないように中間像からの光発散角を制御することが難しいからである。又、パネル型の画像形成装置を高輝度化するためには、１画面を包括して照明する強力な光源が必要となり、実用上ヒートシンク等の放熱手段が大掛かりになり、小型化の妨げとなる。
【００５８】
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは光学素子の配置が異なる光走査装置の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
【００５９】
図８は、第１の実施の形態の変形例１に係る光走査装置の光路を例示する図である。図８は、光走査装置１０Ａを図３と同様の方向から視た図である。但し、図８では図３と同様に光偏向器１６、凹面ミラー１７、及び被走査面１８は図示が省略されている。なお、光走査装置１０Ａにおいて、光偏向器１６、凹面ミラー１７、及び被走査面１８の配置は、光走査装置１０と同様である。
【００６０】
図８を参照するに、光走査装置１０Ａでは、光源素子１１Ｒ、カップリングレンズ１２Ｒ、及びアパーチャ１３Ｒと、光源素子１１Ｇ、カップリングレンズ１２Ｇ、及びアパーチャ１３Ｇと、光源素子１１Ｂ、カップリングレンズ１２Ｂ、及びアパーチャ１３Ｂとが、それぞれの光束の進行方向が略平行となるように並設されている。
【００６１】
アパーチャ１３Ｒ、１３Ｇ、及び１３Ｂで整形された各光束が合成素子１４に入射して光路合成される点、及び合成素子１４以降の光学系に関しては、光走査装置１０と同様である。
【００６２】
このように、光源素子、カップリングレンズ、アパーチャ、合成素子等の配置は、適宜決定することができる。画像形成装置２０において、光走査装置１０に代えて光走査装置１０Ａを用いることができる。
【００６３】
以下、実施例について説明する。各実施例は、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過鏡２３の設計例である。
【００６４】
〈実施例１〉
図９は、実施例１に係る光学系を例示する図である。図９に示すように、実施例１は、第１ミラー２１として凸面ミラー、第２ミラー２２として凹面ミラー、半透過鏡２３として反射面が平面の半透過鏡を用いる例である。
【００６５】
実施例１において、被走査面１８を出射する光束は凸面ミラーである第１ミラー２１に入射するが、凸面ミラーである第１ミラー２１は、放射角を拡大し、画像形成装置２０の全体の光路長を短縮する効果を有する。
【００６６】
拡大された虚像２５を運転者に観察させるには、最終のパワー面は光束を集束させるパワーを持たなければならない。実施例１では半透過２３が平面であるため、第２ミラー２２を凹面ミラーとし、投射光学系全体として正のパワーを持たせている。実施例１の構成によれば、投射光学系の深さ（図９中横方向）を半透過鏡２３の有効径に近い大きさとすることができる。
【００６７】
以下の表１〜３に実施例１の光学データを示す。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
なお、虚像２５の像面位置は、運転者の眼球２４から２ｍ先とした。又、虚像２５の像面画角は、１２×３ｄｅｇとした。
【００７１】
〈実施例２〉
図１０は、実施例２に係る光学系を例示する図である。図１０に示すように、実施例２は、第１ミラー２１として凸面ミラー、第２ミラー２２として平面ミラー、半透過鏡２３として反射面が凹面の半透過鏡を用いる例である。なお、本実施例では、半透過鏡２３の反射面は凹面であるが、反射面の反対側の面は反射面と略平行である。つまり、半透過鏡２３の厚さは略一定である。
【００７２】
実施例２において、第１ミラー２１の凸面は、所定方向の曲率と、それに直交する方向の曲率とが異なるアナモフィック面である。第１ミラー２１の凸面をアナモフィック面とすることにより、凸面の曲面形状を調整可能となり、収差補正性能を向上できる。
【００７３】
図１１は、実施例２に係る半透過鏡を例示する図である。図１１に示すように、半透過鏡２３において、凹面の最深点２３ｃの位置は凹面の光学中心２３ｂの位置に対して投射光学系側に約数１０ｍｍずれている。ここで、光学中心２３ｂとは、半透過鏡２３のうち観察者の視界に入る全領域２３ａの重心である。又、最深点２３ｃとは、半透過鏡２３のうち観察者の視界に入る全領域２３ａの中で最も凹んだ部分である。
【００７４】
このように、実施例２では、半透過鏡２３の観測者側の面は偏心面となっている。半透過鏡２３の観測者側の面を偏心面とすることにより、第２ミラー２２から半透過鏡２３の第２ミラー２２に近い側に入射する光線と、第２ミラー２２から半透過鏡２３の第２ミラー２２から遠い側に入射する光線との光路バランスをとることができる。その結果、画像形成装置２０で発生する歪みを低減できる。
【００７５】
なお、実施例２では、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過２３全体として正のパワーを持たせている。
【００７６】
以下の表４〜６に実施例２の光学データを示す。
【００７７】
【表４】
【００７８】
【表５】
【００７９】
【表６】
なお、虚像２５の像面位置は、運転者の眼球２４から２ｍ先とした。又、虚像２５の像面画角は、６×２ｄｅｇとした。
【００８０】
〈実施例３〉
図１２は、実施例３に係る光学系を例示する図である。図１２に示すように、実施例３は、第１ミラー２１として凹面ミラー、第２ミラー２２として凸面ミラー、半透過鏡２３として反射面が凹面の半透過鏡を用いる例である。なお、本実施例では、半透過鏡２３の反射面は凹面であるが、反射面の反対側の面は反射面と略平行である。つまり、半透過鏡２３の厚さは略一定である。
【００８１】
実施例３において、被走査面１８の放射角はＸ方向が１０．５度、Ｙ方向が３．５度であり、それに一致するように走査光学系が設計されている。第１ミラー２１の凹面は、所定方向の曲率と、それに直交する方向の曲率とが異なるアナモフィック面である。第１ミラー２１の凹面をアナモフィック面とすることにより、凹面の曲面形状を調整可能となり、収差補正性能を向上できる。
【００８２】
実施例３では、実施例１及び２と比較して、被走査面１８の放射角を広く設計している。これにより、被走査面１８から半透過鏡２３までの光路長が短縮され、高さ（図１２中縦方向）及び深さ（図１２中横方向）において、被走査面１８から半透過鏡２３を、半透過鏡２３の大きさ以下に収納することができる。
【００８３】
なお、実施例３では、第１ミラー２１、第２ミラー２２、及び半透過２３全体として正のパワーを持たせている。
【００８４】
以下の表７〜９に実施例３の光学データを示す。
【００８５】
【表７】
【００８６】
【表８】
【００８７】
【表９】
なお、虚像２５の像面位置は、運転者の眼球２４から２ｍ先とした。又、虚像２５の像面画角は、６×２ｄｅｇとした。
【００８８】
以上、好ましい実施の形態及びその変形例並びに実施例について詳説したが、上述した実施の形態及びその変形例並びに実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例並びに実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００８９】
例えば、各実施の形態及びその変形例では、光走査装置１０において、３つの光源素子１１Ｒ、１１Ｇ、及び１１Ｂを用いる例を示したが、単一の光源素子を用いて単色の画像を形成する構成としてもよい。この場合には、合成素子１４は省略できる。
【００９０】
又、車両の一例として乗用車を挙げたが、航空機や電車等の他の車両にも本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、１０Ａ 光走査装置
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ 光源素子
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ カップリングレンズ
１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ アパーチャ
１４ 合成素子
１５ レンズ
１５ａ レンズ１５の第１面
１５ｂ レンズ１５の第２面
１５Ｂ、１５Ｒ 光束
１６ 光偏向器
１６ｄ、１７ｄ 偏角
１７ 凹面ミラー
１８ 被走査面
１８ｄ 光束の断面形状
１８ｈ 被走査面の法線
２０ 画像形成装置
２１ 第１ミラー
２２ 第２ミラー
２３ 半透過鏡
２３ａ 領域
２３ｂ 光学中心
２３ｃ 最深点
２４ 運転者の眼球
２５ 虚像
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９２】
【特許文献１】特開２０１０−１４５７４５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４５７４６号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、
前記２次元像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、
前記被投射面は、外部に設けられた、可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡の反射面であり、
前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいる画像形成装置。
【請求項２】
光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、
可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡と、
前記２次元像を前記半透過鏡の反射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、
前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいる画像形成装置。
【請求項３】
前記半透過鏡の反射面は凹面であり、前記凹面の最深点の位置は、前記凹面の光学中心の位置に対して、前記投射光学系側にある請求項２記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記被走査面は、入射光をその進行方向側に拡散させる拡散板である請求項１乃至３の何れか一項記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記拡散板で拡散された光の断面形状が楕円である請求項４記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記半透過鏡の反射面の反対面側の所定の位置に前記２次元像の拡大された虚像が形成され、
前記拡散板で拡散された光の楕円の長軸方向は、前記虚像の長手方向と一致している請求項５記載の画像形成装置。
【請求項７】
前記凸面ミラーは前記被走査面の直後に配置されている請求項１乃至６の何れか一項記載の画像形成装置。
【請求項８】
前記被走査面は、前記被走査面の法線が前記半透過鏡と交差しない位置に配されている請求項１乃至７の何れか一項記載の画像形成装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項記載の画像形成装置を搭載し、
前記半透過鏡をフロントウィンドウと一体化し、
運転者が前記半透過鏡の反射面よりも前方の所定の位置に前記２次元像の拡大された虚像を視認可能な車両。
【請求項１】
光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、
前記２次元像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、
前記被投射面は、外部に設けられた、可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡の反射面であり、
前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいる画像形成装置。
【請求項２】
光源素子から出射される光束を光偏向器で２次元的に偏向し、透過性を有する被走査面に２次元像を形成する光走査装置と、
可視光の一部を透過し一部を反射する半透過鏡と、
前記２次元像を前記半透過鏡の反射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、
前記投射光学系は、凸面ミラーを含んでいる画像形成装置。
【請求項３】
前記半透過鏡の反射面は凹面であり、前記凹面の最深点の位置は、前記凹面の光学中心の位置に対して、前記投射光学系側にある請求項２記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記被走査面は、入射光をその進行方向側に拡散させる拡散板である請求項１乃至３の何れか一項記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記拡散板で拡散された光の断面形状が楕円である請求項４記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記半透過鏡の反射面の反対面側の所定の位置に前記２次元像の拡大された虚像が形成され、
前記拡散板で拡散された光の楕円の長軸方向は、前記虚像の長手方向と一致している請求項５記載の画像形成装置。
【請求項７】
前記凸面ミラーは前記被走査面の直後に配置されている請求項１乃至６の何れか一項記載の画像形成装置。
【請求項８】
前記被走査面は、前記被走査面の法線が前記半透過鏡と交差しない位置に配されている請求項１乃至７の何れか一項記載の画像形成装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項記載の画像形成装置を搭載し、
前記半透過鏡をフロントウィンドウと一体化し、
運転者が前記半透過鏡の反射面よりも前方の所定の位置に前記２次元像の拡大された虚像を視認可能な車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６１５５４（Ｐ２０１３−６１５５４Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００８３９（Ｐ２０１１−２００８３９）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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