図1は本発明の実施形態の打ち上げ投影型 の二次元走査型投影装置100の概略構成を示す 図である。投影装置100は、ハウジング50内に� ��投影光学システム10、第一ミラーM1、第二ミ ラーM2、スクリーンSを有する。

 図2は、二次元走査型投影装置100における 光路を展開して示す図である。但し、図2で� �第一ミラーM1と第二ミラーM2の反射面による� ��射光路を展開して図示している。図2に示す ように、投影光学システム10は、光源部1、第 二偏向器2、リレー光学系3、第一偏向器4、走 査光学系5を有する。一点鎖線で示す軸AXは、 走査光学系5の光軸である。

 なお、以下の説明では、走査光学系5の光 軸AXと第一偏向器4の回転軸を含む断面上にあ る走査光学系5の光軸の法線方向を縦方向、� �軸AXと、前記法線に共に直交する方向を横方 向と定義する。例えば、全体の外形を略直方 体と見立てた二次元走査型投影装置100を、水 平面上に載置した状態を想定すると、横方向 は二次元走査型投影装置100が載置された水平 面と平行な方向にあり第一方向と一致する、 縦方向は鉛直方向に一致し、第二方向と一致 する。以下の説明では、第一偏向器4は横方� �偏向器4、第二偏向器2は縦方向偏向器2と呼� �。

 図1、図2では、横方向をY方向、縦方向をZ 方向で表す。また、Y、Zの各方向と直交する� ��向つまり被走査面であるスクリーンSに直交 する装置の奥行き方向をX方向と定義する。

 なお、実際の投影装置100では、ハウジン� ��50の形状や他の部材との位置関係によって� �第一ミラーM1と第二ミラーM2だけでなく、さ� ��に投影光学システム10内の図示しないミラ� �を配設して光路を折り曲げることもある。� �かし以下では、上記各ミラーによる光路の� �り曲げは考慮せず、光路を展開した状態を� �定して各部材の説明を行う。

 図2に示す光源部1は、外部から送信され� �画像信号等に応じてオン、オフ変調された� �ーザー光を照射する。光源部1から照射され� ��レーザー光は、縦方向偏向器2に入射する。

 縦方向偏向器2は、図2紙面に直交する中� �軸周りに回転自在に構成される。つまり、� �方向偏向器2は、入射したレーザー光をスク� ��ーンSにおいて縦方向に走査させるための偏 向器である。

 縦方向偏向器2の偏向面で偏向したレーザ ー光は、リレー光学系3を介して横方向偏向� �4に入射する。なお図2では、図示の便宜上、 横方向偏向器4の中心軸のみ示す。本実施形� �のリレー光学系3は、レンズL31~L34の前群とレ ンズL35~L38の後群から構成される。図2中リレ� ��光学系3の中央近傍における破線は中間像形 成位置を示す。本実施形態では、リレー光学 系3における軸上光束がスクリーンSの略中心� ��入射する。つまり、リレー光学系3における 軸上光束が投影画像の中心領域を生成する。

 横方向偏向器4は、図2紙面に平行な中心� �周りに回転自在に構成される。つまり、横� �向偏向器4は、入射するレーザー光をスクリ� ��ンSにおいて横方向に走査させるための偏向 器である。

 レーザー光は、横方向偏向器4の回転状態 に応じた角度で連続して偏向されつつ、走査 光学系5に入射する。なお、本実施形態では� �査光学系5は4枚のレンズL51~L54から構成され� �全体としてほぼfθ特性を有する。但し、走� �光学系5を構成するレンズの枚数は、あくま� ��一例である。走査光学系5の各レンズL51~L54� �、偏心していない。つまり、各レンズの中� �軸は互いに一致し、走査光学系5の光軸AXを� �す。また、各レンズL51~L54は、それぞれ、光� ��AXを基準として回転対称なパワーを有する� �

 走査光学系5から射出された各レーザー光 は、スクリーンS上を横方向に走査する。こ� �で、上記の通り、本実施形態の二次元走査� �投影装置100は、打ち上げ投影型として構成� �れる。従って、図2に示すように、スクリー� ��Sの中心Scは、走査光学系5の光軸AXとスクリ� ��ンSを含む面(Y-Z平面)との交点Pよりも縦方向 (つまりZ方向)にシフトした位置にある。

 二次元走査型投影装置100では、横方向偏� ��器4による横方向への走査一回につき、縦方 向偏向器2が所定量回転するように構成され� �。所定量は、スクリーンSの走査に同時使用� ��れるレーザー光の本数に、該レーザー光に� ��ってスクリーンS上に形成されるスポットサ イズを乗じた長さに対応する量として定義さ れる。これを繰り返すことにより、スクリー ンS上に二次元画像が形成される。つまり、� �実施形態における被走査面であるスクリー� �Sは、回動自在な感光ドラム等とは異なり、� ��査光学系5に対して不動である。

 以上のような構成の二次元走査型投影装� ��100において、横方向偏向器4は、図2に示す� �うに、X-Z平面において、該偏向器4の中心軸4 aがZ方向に対して傾くように配設される。つ� ��り、横方向偏向器4は、自身の中心軸とZ方� �がなす角(以下、第一の角度ρという)が0°以� ��の値となるように配置される。但し、Z方向 と一致する場合を0°とし、次の図12において� ��印で示した方向(反時計回り方向)を正とす� �。図12は、図2の横方向偏向器4周辺の光学系� ��拡大して示す図である。

 また、二次元走査型投影装置100は、リレ� ��光学系3を介した光束が横方向偏向器4に対� �て斜入射するように構成される。詳しくは� �二次元走査型投影装置100は、横方向偏向器4� ��入射する光束のうち、スクリーンSの中心Sc� ��通ることになる光束の主光線Lが、X-Z平面に おいて横方向偏向器4に入射する際に光軸AXに 対して第二の角度βをなすように構成される� ��但し、第二の角度βは0°以外の値を採る。� �た、横方向偏向器4に入射する主光線LがX-Y平 面に含まれる場合を0°とし、図12において矢� ��で示した方向(反時計回り方向)を正とする� �

 このように、本実施形態の二次元走査型� ��影装置100は、横方向偏向器4を傾けて配置す ると共に、光束を横方向偏向器4に対して斜� �射させている。これにより、以下のような� �果が得られる。

 第一に、打ち上げ投影型の投影装置で発� ��してしまうTVディストーションを非打ち上� �投影型と略同程度まで良好に抑えることが� �能になる。一般的に、横方向偏向器4の中心� ��と直交する平面(便宜上、回転断面という)� �で走査された光束は、走査線湾曲が発生し� �い。特に、光軸AXを含む回転断面上で走査さ れた光束であれば、縦方向の湾曲も発生しな い。そこで横方向偏向器4を傾けることによ� �、当該回転断面とスクリーンS上に投影され� ��像とが接近することになる。つまり、投影� ��が光学的に良好とされる回転断面近傍で走� ��された光束により生成されることになるた� ��、TVディストーションが良好に抑えられる� �別の表現によれば、横方向偏向器4を図12の� �の方向(反時計回り方向)に角度ρ傾けた分だ� ��、横方向偏向器4(回転断面)に対する主光線L の入射角を第二の角度βに対して小さくする� ��とができるため、走査線湾曲が良好に抑え� ��れ、TVディストーションの小さい画像がス� �リーンSに投影されることになる。

 第二に、打ち上げ投影型の投影装置で発� ��してしまう台形歪みも非打ち上げ投影型と� ��同程度まで良好に抑えることが可能になる� ��具体的には、横方向偏向器4を傾けることに より、横方向偏向器4を介して形成される像(� ��方向偏向器4による反射像)も傾きを生じる� �つまり、適切な角度で横方向偏向器4を傾け� ��ことにより、打ち上げ投影に起因する台形� ��みを打ち消すような歪みを像に与えること� ��可能になる。

 第三に、横方向偏向器4を傾けることによ り、見かけ上の画角を大きくすることができ る。これにより、傾けていない横方向偏向器 4を使用した場合に比べて所定高さでのスク� �ーンS上での走査幅を広げることが可能にな� ��。

 第四に、光束を横方向偏向器4に斜入射さ せたことにより生じるいくつかの現象を抑制 することができる。一般に、光束を横方向偏 向器4に斜入射させる量、つまり横方向偏向� �4での入射角が大きくなればなるほど、入射� ��た光束により横方向偏向器4の偏向面に形成 されるスポットの径が大きくなる。また、ス ポット径が大きくなるため、反射の際のビー ムローテーション(横方向偏向器4により偏向� ��れる光束の偏向角に応じてスクリーンSに形 成されるビームスポットが回転する現象)が� �きく発生する。そこで、横方向偏向器4を傾� ��て配置させることにより、光束の横方向偏� ��器4での入射角を負担させることができる。 これにより、上記の各現象を効果的に抑制す ることができる。

 なお、本実施形態の二次元走査型投影装� ��100は、上記第四の効果の実効性を高めるた� ��に、第一の角度ρと第二の角度βが同符号を 採るように構成される。

 以上のような効果を奏するために、二次元� ��査型投影装置100は、以下の条件(1)および条� ��(2)を満たすように構成される。但し、Hは交 点PからスクリーンS下方端辺中心までの距離� ��、Dは交点PからスクリーンS下方端辺の一端� ��での距離を、H”は交点PからスクリーンS上� ��端辺中心までの距離を、D”は交点Pからス� �リーンS上方端辺の一端までの距離を、fは走 査光学系5の焦点距離を、αは横方向における 半画角を、ρは第一の角度を、βは第二の角� �を、ωは縦方向における半画角を、それぞれ 表す。図3は、各パラメータを示した模式図� �ある。

 ここで、横方向における半画角αは、以下� �式により求まる。但し、Ysは、スクリーンS� �Y方向長さを表す。
  α=(Ys/f)/cos(β+ρ)
また、縦方向における半画角ωは、以下の式� ��より求まる。但し、Zsは、スクリーンSのZ方 向長さを表す。
  ω=Zs/f

 条件(1)は、スクリーンSの上方端辺に位置 する走査線が直線状あるいは中心Scに向かっ� ��凸となる湾曲を持つように設計するための� ��件である。また、条件(2)は、スクリーンSの 下方端辺に位置する走査線が直線状あるいは 中心Scに向かって凸となる湾曲を持つように� ��計するための条件である。より具体的には� ��各条件(1)、(2)双方が等号の関係を持つとき� ��投影画像は矩形状を有する。つまり、下方� ��辺に位置する走査線および上方端辺に位置� ��る走査線が共に略直線状となる。それ以外� ��とき、投影画像はいわゆる糸巻き状を有す� ��。投影画像が矩形状または糸巻き状であれ� ��、スクリーンには、走査線が存在しない領� ��つまり非表示領域を生じることがない、該� ��クリーンSに対応する矩形状(長方形状)の画� ��を投影することができる。

 さらに、以下の条件(3)を満たすことにより� ��上記の諸効果の実効性を高めることができ� ��。但し、H’は交点PからスクリーンS中心ま� ��の距離を、D’は交点PからスクリーンS側方� ��辺中心までの距離を、それぞれ表す。

 条件(3)は、スクリーンS中央でのTVディス� ��ーションを低減するための条件である。条� ��(3)を満たすことにより、打ち上げ投影型の� ��置100であっても非打ち上げ型に近い高画質� ��画像を投影することが可能になる。さらに� ��件(3)を満たす範囲内で第一の角度ρを大き� �取れば、より大きな画角を確保して装置の� �型化や薄型化を図る、あるいは台形歪みの� �正効果を高めることも可能になる。

 以上の各条件(1)~(3)が導出される過程を図 4~図7に示す模式図を参照しつつ以下説明する 。図4は、回転断面4pが水平面に平行な状態で 配設された横方向偏向器4を示す。つまり、� �4において、横方向偏向器4は、中心軸4aがZ方 向に平行となるように配設されている。そし て、横方向偏向器4により反射した光束が横� �向偏向器4の回転断面4pに対して角度(β+ω)を� ��って進む状態を想定する。なお、横方向偏� ��器4は回転していないものとする。つまり、 光束は横方向偏向器4によって偏向されてお� �ず、走査光学系5の光軸AXを含むX-Z平面上を� �むものとする。

 図4に示す模式図において、光束の光路にお いて、横方向偏向器4から一定距離(例えば、1 とする)だけ離れた点Aを想定する。点Aの座標 (X,Y,Z)は、
  X…cos(β+ω)
  Y…0
  Z…sin(β+ω)
と表される。

 図4に示す状態から、横方向偏向器4を一定� �回転させ、光束を角度α(つまり横方向の半� �角分)だけ偏向した状態を図5に示す。図5に� �すように、光束が角度αだけ偏向されると、 点Aは点A’まで移動する。点A’の座標(X,Y,Z)� �、
  X…cosαcos(β+ω)
  Y…sinαcos(β+ω)
  Z…sin(β+ω)
と表される。

 図5に示す状態を維持しつつ、横方向偏向 器4を所定量傾かせた状態を図6に示す。詳し� ��は、図6に示す横方向偏向器4は、X-Z平面に� �いて、該偏向器4の中心軸4aがZ方向に対して� ��一の角度ρだけ傾くように配設される。従� �て、傾いた状態の横方向偏向器4における回� ��断面4p’は、回転断面(水平面)4pに対してρ� �け傾いた状態にある。なお、図6において、� ��記X、Y、Zの各方向に対応する方向をそれぞ� ��x、y、z方向と定義する。

 図6に示すように、横方向偏向器4が傾いて� �設されている場合、点A’の座標(X,Y,Z)は、
  X…cosρcosαcos(β+ω)-sinρsin(β+ω)
  Y…sinαcos(β+ω)
  Z…sinρcosαsin(β+ω)+cosρsin(β+ω)
と表される。

 以上を踏まえ、スクリーンSに投影される 画像がTVディストーションや台形歪みを持た� ��い高画質な画像をスクリーンSに投影するた めの条件(1)を導出する。図7は条件(1)を導出� �るための説明図である。図7において、点A’ は、スクリーンS上方端辺の一端近傍に位置� �ると想定する。

 図7に示す角度θは、スクリーンの法線(つま り光軸AX)と点A’に向かう光線のなす角とし� �定義される。ここで、角度θは以下の式(4)に より求まる。
  θ=D”/f…(4)

 また、tanθは、以下の式(5)により求まる。

 ここで、交点PからY方向に延ばした仮想線i1 と点A’からZ方向におろした仮想線i2の交点Q� ��点A’間の距離をhとおく。距離hは、以下の� ��(6)により求まる。

 式(6)におけるZ/Xは、図6を参照しつつ求めた 座標より、以下の式(7)で表すことができる。

 上記式(6)に、式(5)および式(7)で求められた� ��を代入すると、hに関する式(8)が得られる。

 ここで、距離hが交点PからスクリーンS上方� ��辺中心までの距離H”と等しければ、走査線 は直線状となる。また、距離hが距離H”より� ��小さくなると、スクリーンS上方端辺の一端 には走査線が行き届かない。つまり、スクリ ーンS上方端辺の一端に非表示領域が発生し� �しまう。従って、TVディストーションを低減 し非表示領域の発生を防ぐためには、以下の 関係が成立するように距離hと距離H”を設定� ��ればよい。
  h≧H”

 上記関係に、式(8)の値を代入し、両辺にt an(D”/f)/D”を乗じると、上記条件(1)が得られ る。

 条件(2)、(3)についても、図7に示す点A’� �位置を変えて上記条件(1)と同様に導出する� �とができる。

 以下、上記実施形態の二次元走査型投影� ��置100の具体的実施例について2例説明する。 各実施例の二次元走査型投影装置100は、図2� �示される。

 各実施例1、2の投影光学システム10を構成 するリレー光学系3の具体的数値構成は表1に� ��される。また、各実施例1、2の投影光学シ� �テム10を構成する走査光学系5の具体的数値� �成は表2に表される。

 表1、表2において、rは光学部材の各面の� ��率半径(単位:mm)、dは光学部材厚または光学� ��材間隔(単位:mm)、nは屈折率を表す。

 実施例1、2における縦方向偏向器2は、入� ��した光束を、リレー光学系3の光軸を中心に 縦方向に±30.2°の範囲で偏向する。

 実施例1における横方向偏向器4は、リレ� �光学系3の光軸と直交する基準軸を想定した� ��合、該基準軸に対して中心軸4aが17°傾くよ� ��に配設されている。また、実施例2における 横方向偏向器4は、該基準軸に対して中心軸4a が11°傾くように配設されている。

 また、実施例1における横方向偏向器4は� �X-Z平面において走査光学系5の光軸AXと直交� �る基準軸を想定した場合、該基準軸に対し� �中心軸4aが8°傾くように配設されている。ま た、実施例2における横方向偏向器4は、該基� ��軸に対して中心軸4aが14°傾くように配設さ� ��ている。

 上記のように構成された実施例1の二次元 走査型投影装置100における、上記各条件に関 するパラメータを表3に示す。また、実施例2� ��二次元走査型投影装置100における、上記各� ��件に関するパラメータを表4に示す。

 表3に示すように、実施例1の二次元走査� �投影装置100は、条件(1)、(2)を共に満たす。� �た、表4に示すように、実施例2の二次元走査 型投影装置100は、条件(1)~(3)を全て満たす。

 次いで、上記実施例1、2の二次元走査型� �影装置100の効果を検証するために、比較例� �二次元走査型投影装置300を提示する。比較� �の二次元走査型投影装置300は、図8に示す。� ��較例の二次元走査型投影装置300は、横方向� ��向器4の中心軸4aが走査光学系5の光軸AXに対� ��て直交する、つまり横方向偏向器4が傾いて いない点以外は、実施例1、2と同一の構成で� ��る。従って、図8では、図2に示す部材と同� �部材には同一符号を付している。また、比� �例の二次元走査型投影装置300を構成する投� �光学システムの具体的数値構成は上記表1、� ��2を参照する。

 比較例の二次元走査型投影装置300では、� ��方向偏向器4は、リレー光学系3の光軸と直� �する基準軸を想定した場合、該基準軸に対� �て中心軸4aが25°傾くように配設されている� �また、比較例における横方向偏向器4は、中� ��軸4aが走査光学系5の光軸AXと直交するよう� �配設されている。

 以上説明した比較例について、上記各条� ��に関するパラメータを表5に示す。

 表5に示すように、比較例の二次元走査型 投影装置300は、共に満たさなければならない 条件(1)、(2)の一方(条件(2))しか満たしていな� ��。

 図9~図11は、順に、各実施例1、2の二次元� ��査型投影装置100と比較例の二次元走査型投� ��装置300を用いて投影された画像の歪曲状態� ��示す図である。各図において、実線が各例� ��投影装置100、300を用いて投影された画像の� ��曲状態を示す。また、破線が各例の投影光� ��システムの光軸がスクリーン中心で該スク� ��ーンと略直交するような非打ち上げ型の投� ��装置を用いて投影された画像の歪曲状態を� ��す。

 図9、図10と図11を比較すれば分かるよう� �、各実施例1、2の二次元走査型投影装置100を 用いた場合には、非打ち上げ型の投影装置使 用時と遜色ない程度まで十分にTVディストー� ��ョンが低減された画像が得られる。これに� ��して、比較例の二次元走査型投影装置300で� ��、TVディストーションや台形歪みが大きく� �生してしまっていることが分かる。

 以上が本発明の実施形態である。本発明� ��係る二次元走査型投影装置は、上記実施形� ��の構成に限定されるものではなく、以下の� ��うな変形を行っても上記と同様の効果を奏� ��る。

 例えば、上記実施形態では、走査光学系5 を全てレンズで構成している。本発明に係る 二次元走査型投影装置は、fθミラーのように 入射光束の等速性の維持に寄与する反射面を 含むような走査光学系を採用しても良い。本 発明のような打ち上げ型の場合、少なからず 光路を折り返すための反射面が必須となる。 従って、走査光学系の一部をfθミラーとする ことにより、部品を共通化して部品点数を減 らすことができる。これにより、装置全体の 生産性の向上を図ることができる。

 また、横方向偏向器4を傾けることによる TVディストーション補正の効果は、fθ特性を� ��つ走査光学系5との関係において、やや過剰 気味にもなる。そのため、該補正効果の範囲 内で走査光学系5をfθ特性よりも小さな負の� �曲収差を持つ光学系とする、例えば走査光� �系5をf(β+ω)≦H”≦ f tan(β+ω)を満足するfθ� ��性からftanθ特性までの負のディストーショ� ��を有する構成とすることにより、TVディス� �ーション補正効果を維持しつつ、大きな負� �歪曲レンズを持つ走査光学系特有の大きな� �角が必要になるという問題を抑制できるの� �、走査光学系全体の小型化を図ることがで� �る。

 さらに上記実施形態では、二次元走査を� ��つの偏向器によって実現している。本発明� ��係る二次元走査型投影装置は、このような� ��成に限定されるものではない。図13に、本� �明に係る二次元走査型投影装置の変形例で� �って、二次元走査を一つの偏向器によって� �現する二次元走査型投影装置100zの構成を示� ��。図13は、図2と同様に、二次元走査型投影� ��置100zにおける光路を展開して示す。図13で� ��、図2に示す部材と同一または同様の部材に は同一または同様の符号を付している。図13� ��示されるように、二次元走査型投影装置100z が有する投影光学システム10zは、アレイ光源 1’、横方向偏向器4、走査光学系5、集光光学 系6を有する。アレイ光源1’は、例えば、ス� ��リーンSにおける縦方向に対応する方向に沿 って配設された複数の発光部からなる光源で ある。また、集光光学系6は、アレイ光源1’� ��ら照射された複数の光束を横方向偏向器4に もれなく入射させるように構成、配置される 。そして、縦方向にアレイされた各発光部か ら照射された光束は、集光光学系6、横方向� �向器4、および走査光学系5を介してスクリー ンS上で、スクリーンS上方端辺近傍から下方� ��辺近傍に至る縦一列のビームスポットを形� ��する。このため各発光部から照射された光� ��が横方向偏向器4により横方向に一回走査さ れるだけで、スクリーンS上に、投影される� �き画像全体が投影されることになる。この� �うな構成であっても二次元走査が可能にな� �。