特許 6964093 投影光学系、画像投影装置、および画像投影システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6964093

(24)【登録日】2021年10月20日

(45)【発行日】2021年11月10日

(54)【発明の名称】投影光学系、画像投影装置、および画像投影システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/18 20060101AFI20211028BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20211028BHJP

   G02B 13/16 20060101ALI20211028BHJP

   H04N 5/74 20060101ALI20211028BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/18 Z

   G02B26/10 104Z

   G02B13/16

   H04N5/74 A

【請求項の数】9

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2018-556637(P2018-556637)

(86)(22)【出願日】2017年12月8日

(86)【国際出願番号】JP2017044186

(87)【国際公開番号】WO2018110448

(87)【国際公開日】20180621

【審査請求日】2020年10月23日

(31)【優先権主張番号】特願2016-240514(P2016-240514)

(32)【優先日】2016年12月12日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001357

【氏名又は名称】特許業務法人つばさ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】半澤 文彦

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２８０３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０２８６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１７４９３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３０１０９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０３−０２８８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５４７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５３９１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１１８９３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／２０８１９４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／１８

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｇ０２Ｂ １３／００ − １３／２６

Ｈ０４Ｎ ５／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記光源からの光を、前記光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、
前記第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記偏向器からの光を、前記１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群と
を備え、
前記第１レンズ群が、前記光軸に沿って前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に前記１次結像点を形成するようになされ、
前記第２レンズ群の焦点距離をｆ₂、前記１次結像点のビームウェスト半径をω₁、前記１次結像点から前記第２レンズ群の前側主点までの距離をｄ₂としたとき、所定の波長λで、以下の式を満足する
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ
投影光学系。

【請求項2】

前記第１レンズ群は、正レンズと負レンズとの組合せレンズを有する
請求項１に記載の投影光学系。

【請求項3】

前記第１レンズ群は、複数の正の単レンズのみからなり、前記光源と前記第１レンズ群との間隔を調整することによって軸上色収差を補正する
請求項１に記載の投影光学系。

【請求項4】

前記第２レンズ群は、正レンズと負レンズとの組合せレンズを有する
請求項１に記載の投影光学系。

【請求項5】

前記第２レンズ群は、少なくとも１面以上の自由曲面形状の透過面を有する
請求項１に記載の投影光学系。

【請求項6】

前記第１レンズ群内のレンズおよび前記第２レンズ群内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを前記光軸に沿う方向に動かすことによって、投影位置に対する合焦を行う
請求項１に記載の投影光学系。

【請求項7】

前記第１レンズ群内のレンズおよび前記第２レンズ群内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを前記光軸に垂直な方向に動かすことによって、投影像を前記光軸に垂直な方向に調整する
請求項１に記載の投影光学系。

【請求項8】

光源と、
前記光源からの光に基づいて画像を投影する投影光学系と
を含み、
前記投影光学系は、
光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記光源からの光を、前記光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、
前記第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記偏向器からの光を、前記１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群と
を備え、
前記第１レンズ群が、前記光軸に沿って前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に前記１次結像点を形成するようになされ、
前記第２レンズ群の焦点距離をｆ₂、前記１次結像点のビームウェスト半径をω₁、前記１次結像点から前記第２レンズ群の前側主点までの距離をｄ₂としたとき、所定の波長λで、以下の式を満足する
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ
画像投影装置。

【請求項9】

光源と、
前記光源からの光に基づいて画像を投影する投影光学系と、
前記投影光学系による投影像を観察するための接眼光学系と
を含み、
前記投影光学系は、
光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記光源からの光を、前記光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、
前記第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記偏向器からの光を、前記１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群と
を備え、
前記第１レンズ群が、前記光軸に沿って前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に前記１次結像点を形成するようになされ、
前記第２レンズ群の焦点距離をｆ₂、前記１次結像点のビームウェスト半径をω₁、前記１次結像点から前記第２レンズ群の前側主点までの距離をｄ₂としたとき、所定の波長λで、以下の式を満足する
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ
画像投影システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、投影光学系、画像投影装置、および画像投影システムに関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ光源からの光を偏向ミラーによって２次元走査することによって画像を投影するレーザ走査プロジェクタがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−１７９２４５号公報

【特許文献2】特開２００９−１８０８２１号公報

【発明の概要】

【0004】

入力される画像ソースの高解像度化に伴い、プロジェクタにも入力された画像ソースに応じた高解像の画像出力が必要とされ得る。デバイス技術、制御技術、画像処理技術、および光学技術の向上によって、年々プロジェクタへの高解像度化の要求は高まっている。

【0005】

小型、軽量で、解像度の高い投影光学系、画像投影装置、および画像投影システムを提供することが望ましい。

【0006】

本開示の一実施の形態に係る投影光学系は、光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、光源からの光を、光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、偏向器からの光を、１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群とを備え、第１レンズ群が、光軸に沿って第１レンズ群と第２レンズ群との間に１次結像点を形成するようになされ、第２レンズ群の焦点距離をｆ₂、１次結像点のビームウェスト半径をω₁、１次結像点から第２レンズ群の前側主点までの距離をｄ₂としたとき、所定の波長λで、以下の式を満足するようにしたものである。
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ

【0007】

本開示の一実施の形態に係る画像投影装置は、光源と、光源からの光に基づいて画像を投影する投影光学系とを含み、投影光学系は、光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、光源からの光を、光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、偏向器からの光を、１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群とを備え、第１レンズ群が、光軸に沿って第１レンズ群と第２レンズ群との間に１次結像点を形成するようになされ、第２レンズ群の焦点距離をｆ₂、１次結像点のビームウェスト半径をω₁、１次結像点から第２レンズ群の前側主点までの距離をｄ₂としたとき、所定の波長λで、以下の式を満足するようにしたものである。
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ

【0008】

本開示の一実施の形態に係る画像投影システムは、光源と、光源からの光に基づいて画像を投影する投影光学系と、投影光学系による投影像を観察するための接眼光学系とを含み、投影光学系は、光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、光源からの光を、光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、偏向器からの光を、１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群とを備え、第１レンズ群が、光軸に沿って第１レンズ群と第２レンズ群との間に１次結像点を形成するようになされ、第２レンズ群の焦点距離をｆ₂、１次結像点のビームウェスト半径をω₁、１次結像点から第２レンズ群の前側主点までの距離をｄ₂としたとき、所定の波長λで、以下の式を満足するようにしたものである。
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ

【0009】

本開示の一実施の形態に係る投影光学系、画像投影装置、または画像投影システムでは、第１レンズ群によって、第１レンズ群と第２レンズ群との間に光源の１次結像点が形成される。

【0010】

本開示の一実施の形態に係る投影光学系、画像投影装置、または画像投影システムによれば、第１レンズ群によって、第１レンズ群と第２レンズ群との間に光源の１次結像点を形成するようにしたので、小型、軽量で、解像度の高い投影光学系、画像投影装置、または画像投影システムを提供することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】比較例に係る投影光学系の概略を示す構成図である。

【図2】本開示の一実施の形態に係る投影光学系の概略を示す構成図である。

【図3】第１の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置の概略を示す構成図である。

【図4】第２の実施の形態に係る投影光学系における投影距離と解像度の変化の一例を示す特性図である。

【図5】第３の実施の形態に係る投影光学系の概略を示す構成図である。

【図6】第４の実施の形態に係る画像投影システムの概略を示す構成図である。

【図7】第４の実施の形態に係る投影光学系の概略を示す構成図である。

【図8】第４の実施の形態に係る投影光学系による投影位置近傍での水平方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示す特性図である。

【図9】第４の実施の形態に係る投影光学系による投影位置近傍での垂直方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示す特性図である。

【図10】第４の実施の形態に係る投影光学系における自由曲面の一例を概略的に示す説明図である。

【図11】第４の実施の形態に係る投影光学系による投影面での２次元画像の歪曲特性を示す特性図である。

【図12】第５の実施の形態に係る投影光学系による投影位置近傍での水平方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示す特性図である。

【図13】第５の実施の形態に係る投影光学系による投影位置近傍での垂直方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．比較例および実施の形態の概要
０．１ 比較例（レーザ走査プロジェクタの概要と課題）（図１）
０．２ 実施の形態の概要（図２）
１．第１の実施の形態（図３）
２．第２の実施の形態（図４）
３．第３の実施の形態（図５）
４．第４の実施の形態（図６〜図１１）
５．第５の実施の形態（図１２〜図１３）
６．その他の実施の形態

【0013】

＜０．比較例および実施の形態の概要＞
［０．１ 比較例（レーザ走査プロジェクタの概要と課題）］
本開示の一実施の形態に係る投影光学系、画像投影装置、および画像投影システムは、例えばレーザ走査プロジェクタに適用されてもよい。本開示の一実施の形態に係る投影光学系、画像投影装置、および画像投影システムの概要を説明する前に、レーザ走査プロジェクタの概要と課題を説明する。

【0014】

図１は、比較例に係るレーザ走査プロジェクタの概略構成を示している。
比較例に係るレーザ走査プロジェクタは、レーザ光を発する光源ＬＤａと、光源ＬＤａからのレーザ光に基づいてスクリーン（投影面）に画像を投影する投影光学系１００とを備えている。なお、ここでのスクリーンまたは投影面とは、必ずしも一般的な定義である投影のための平面部材のように実体を持つとは限らず、“偏向器より後の光路における光軸に垂直な平面”という広い意味での定義とする。

【0015】

投影光学系１００は、光軸Ｚ１に沿って光源側から投影側に向かって順に、少なくとも１つのレンズＬ１と、走査ミラーＭＭとを備えている。

【0016】

比較例に係るレーザ走査プロジェクタでは、１画素に相当するレーザ光束はほぼ平行状態で出射される。レーザビームがビームウェストまで緩やかに収束して、ビームウェストで最もビーム径が小さくなり、ビームウェスト以降では緩やかに発散していく。最も投影面に近いレンズと投影面との間に画像を２次元的スキャンをするための偏向器（走査ミラーＭＭ）がある。小型のレーザ走査プロジェクタの走査ミラーＭＭにはＭＥＭＳ（Microelectro-Mechanical Systems）技術などで作製されたデバイスを用いる。例えば、ＭＥＭＳミラーの大きさはφ１ｍｍ程度である。なお、φは直径を表す。

【0017】

投影光学系１００を高解像度化するためには、レンズＬ１のＮＡを高くしてビームを小さく絞り込む必要がある。これは最も投影面に近いレンズ上で投影面までの距離に比例した大きな光束径が必要であることを意味する。投影光学系１００を高ＮＡ化しようとすると、走査ミラーＭＭのサイズが律速となって光束径が制限される。その制限から外れるためには走査ミラーＭＭのサイズを大きくする必要があるが、ミラーサイズを大きくすると応答特性の悪化や、装置の大型化、高コスト化が生じてしまう問題がある。

【0018】

特許文献１（特開２０１５−１７９２４５号公報）では、３色のレーザをコリメータによって略平行光状態で走査ミラーに入射させ、その走査ミラーによって２次元走査したビームを投射レンズに入射させて１次の投影像を形成することが提案されている。特許文献１では、１次の投影像から広がった光はマイクロレンズアレイによって、平行光束に変換された後に眼の網膜上に２次の投影像として結像する。これにより、観察者は画像を観察することが可能となる。

【0019】

特許文献１では、１次の投影像の解像度を決めるＮＡは以下の式（１）で表される。ただし、投射レンズへの入射光束径をＲ、投射レンズの焦点距離をｆとする。
ＮＡ＝Ｒ／２ｆ …（１）

【0020】

光学的に解像度を上げるためにはＮＡを大きくする必要がある。ＮＡを大きくする１つの方法として光束径Ｒを大きくする方法があるが、以下の理由によって大きくすることは困難である。

【0021】

特許文献１では走査部が存在するコリメータと投射レンズとの間は中間結像点を持たない平行光束になっており、光束径を広げるためには走査部のミラーの有効径が律速となり、図１の比較例に係るレーザ走査プロジェクタと同様の問題が生ずる。ＮＡを大きくするもう１つの方法として、焦点距離ｆを小さくする方法があるが、焦点距離ｆを小さくすると投影距離が短くなることで、ミラー等の光学素子の配置に困難をきたすデメリットが生じる。つまり、従来のレーザ走査プロジェクタの構成で光学的に解像度を上げるためには、装置の大型化、もしくは投影距離が短くなるデメリットが生じる。

【0022】

特許文献２（特開２００９−１８０８２１号公報）では、平行光に近いある広がり角を持ったレーザ光の走査によって、投影面までの距離が変化しても、常にフォーカスがあった画像を表示可能なレーザ走査プロジェクタが提案されている。

【0023】

特許文献２では、式（２）で定められる広がり角αを有するように画像を拡大することが提案されている。
α＝ａｒｃｔａｎ（（ｔａｎ（θ／２）／（ＹＮ／２）） ……（２）
ただし、θは走査ミラーの水平方向および垂直方向の振れ角であり、ＹＮは投影される画像の垂直方向の画素数である。

【0024】

式（２）を満たす場合、投影面までの距離が長くなるに従って大きくなる画像サイズとレーザビーム径の広がりとを同じ比率で拡大することができるので、スクリーン上では常にフォーカスが合ったように見える。これはレーザ走査プロジェクタの特徴であるフォーカスフリーを満たすための条件を表している。

【0025】

ここで、式（２）の条件の下で高解像度化する方法を考える。解像度をＮ倍（Ｎ＞１）にするためには映像の幅を一定のままで画素数ＹＮをＮ倍にすればよく、それはすなわちビーム径を１／Ｎの大きさにすることである。以降、映像の幅が一定となる条件を、投影距離と走査ミラーの振れ角θとが一定の前提で考える。式（２）のａｒｃｔａｎの括弧内は一般的なプロジェクタでは１より十分に小さいため、簡単のためαとａｒｃｔａｎの括弧内は線形の関係があると考える。解像度をＮ倍にするために、垂直方向の画素数ＹＮをＮ倍にすると、ビームの広がり角αは１／Ｎにする必要がある。

【0026】

ビームの広がり角とビーム径とには式（３）の関係がある。ただし、λは波長、ωはビームウェスト半径である。
α＝λ／πω ……（３）

【0027】

式（３）から、広がり角αが１／Ｎになる場合、１画素あたりのビーム径はＮ倍にしなければならない。つまり、式(２)の条件の下で解像度をＮ倍にするための条件はビーム径をＮ倍にすることである。しかし、これは、上記ビーム径を１／Ｎの大きさにすることと相容れず、式（２）のフォーカスフリーとなる条件から外れないと高解像度化できないことを意味する。

【0028】

以上のことから、レーザ走査プロジェクタにおいて、長い投影距離と装置の小型化とを可能にしながら、フォーカスフリー特性からの外れにも対応しつつ、光学的に高解像を実現する技術の開発が望まれる。

【0029】

［０．２ 実施の形態の概要］
図２は、本開示の一実施の形態に係る投影光学系１の概略構成を示している。

【0030】

（投影光学系１の基本構成）
投影光学系１は、光軸Ｚ１に沿って光源ＬＤａ側から投影側に向かって順に、第１レンズ群Ｇ１と、第１レンズ群Ｇ１からの光を走査する偏向器としての走査ミラーＭＭと、第２レンズ群Ｇ２とを備えている。

【0031】

第１レンズ群Ｇ１は、全体として正の焦点距離を持つ。第１レンズ群Ｇ１は、少なくとも１枚のレンズ（例えばレンズＬ１，Ｌ２）を有し、光源ＬＤａからの光を、光源ＬＤａの像である１次結像点に集光させる。なお、図２では、１次結像点の一例をＩ１と記す。

【0032】

第２レンズ群Ｇ２は、全体として正の焦点距離を持つ。第２レンズ群Ｇ２は、少なくとも１枚のレンズ（例えばレンズＬ３）を有し、走査ミラーＭＭからの光を、１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる。なお、図２では、２次結像点の一例をＩ２と記す。

【0033】

第１レンズ群Ｇ１は、光軸Ｚ１に沿って第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に１次結像点である中間結像点を形成する。第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間の１次結像点近傍に走査ミラーＭＭを配置することで、走査ミラーＭＭの有効範囲による制限を受けずに、小型の光学系を構築できる。

【0034】

さらに、投影光学系１では、中間結像点を持つことで、比較的自由に１次結像点でのＮＡを設定できる。すなわち、投影光学系１では、第２レンズ群Ｇ２への入射ＮＡを大きくできる。投影光学系１では、第２レンズ群Ｇ２への入射ＮＡに応じて第２レンズ群Ｇ２の出射ＮＡも大きくできるために、最終的に１次結像点の像である２次結像点に大きなＮＡでビームを絞れるため高解像な画像を形成することができる。

【0035】

中間結像点を持たずに、光源ＬＤａからの光を直接結像させる場合は、以下の問題がある。走査ミラーＭＭの走査範囲のビームとの干渉を避けるためには光源ＬＤａと走査ミラーＭＭの距離をある程度離さなければならない。さらに画像をカラー化する場合には、光源ＬＤａとして最低でも３波長の光源が必要であり、３つの光源が合成光路を通った後に走査ミラーＭＭで走査するにはさらに距離を離す必要があるために、高解像度化するためには走査ミラーＭＭを巨大化するしかなく、前述の比較例と同じ問題に突き当たる。

【0036】

つまり、本技術では第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に光源ＬＤａの１次結像点である中間結像点を形成することが必須の条件となる。

【0037】

以上のように、投影光学系１によれば、第１レンズ群Ｇ１によって、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に１次結像点である中間結像点を形成するようにしたので、小型、軽量で、解像度の高い投影光学系を提供することができる。また、投影光学系１を用いて、小型、軽量で、解像度の高い画像投影装置、または画像投影システムを提供することができる。

【0038】

なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。

【0039】

（投影光学系１の好ましい構成）
投影光学系１は、以下のような好ましい構成を取ってもよい。

【0040】

投影光学系１では、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ₂、１次結像点のビームウェスト半径をω₁、１次結像点から第２レンズ群Ｇ２の前側主点までの距離をｄ₂とし、所定の波長λで、以下の式（後述する式（７））を満足することが好ましい。
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ
ただし、光源ＬＤａにガウシアン分布を持ったレーザビームを用いる場合の、１次結像点や２次結像点の位置はビーム径が最も小さくなるビームウェストの位置とする。

【0041】

走査ミラーＭＭは、第１レンズ群Ｇ１の後のビームウェストの近傍にあり、ビームウェストからの距離分広がったビーム径がミラーの有効範囲に比べて小さくするように配置すれば問題ない。

【0042】

以下、ガウシアン分布を持ったレーザビームをレンズにて伝搬させる場合の伝搬式によって説明する。

【0043】

【数1】

【0044】

波長はλ、第１レンズ群Ｇ１透過後の１次結像点のビームウェスト半径をω₁、第２レンズ群Ｇ２透過後の２次結像点のビームウェスト半径をω₂、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ₂とする。また、第１レンズ群Ｇ１透過後の１次結像点から第２レンズ群Ｇ２の前側主点までの距離をｄ₂、第２レンズ群Ｇ２の後側主点から第２レンズ群Ｇ２透過後の２次結像点までの投影距離をｄ₂’とする。

【0045】

【数2】

【0046】

Ｄ＝ｄ₂−ｆ₂（＞０）
Ａ＝πω₁²／λ
とおくと、以下の式（４），（５）が得られる。

【0047】

【数3】

【0048】

式（４）および式（５）をそれぞれＤで微分した微分係数は、式（４）’および式（５）’のように求められる。

【0049】

【数4】

【0050】

【表1】

【0051】

表１に、Ｄの変化によるω₂，ｄ₂’の変化を示す。ω₂はＤ≧０の領域で単調減少する。ｄ₂’はＤ＜Ａでは単調増加し、Ｄ＝Ａで最大値を取り、Ｄ＞Ａでは単調減少する。

【0052】

光学的に解像度を上げるためには、スクリーン上の１画素分の集光されたビームウェスト半径ω₂を小さくすればよい。Ｄを大きくすればするほど解像度が上がるが、Ｄ＞Ａ以降では投影距離ｄ₂’が減少するので、仕様に応じてｄ₂’とのバランスを取ることが望ましい。

【0053】

投影距離ｄ₂’は、Ｄ＝０で最小値ｆ₂を取り、Ｄ＝Ａで最大値ｆ₂＋ｆ₂²／２Ａを取り、式（６）の範囲を取る。

【0054】

ｆ₂≦ｄ₂’≦ｆ₂＋ｆ₂²／２Ａ ……（６）

【0055】

式（６）の範囲で投影距離ｄ₂’を設定できるが、ｄ₂’は０≦Ｄ＜Ａの領域で１つ目の解Ｄ１、Ｄ＞Ａの領域で２つ目の解Ｄ２、合計２つの解を持つ。Ｄ１とＤ２は同じ投影距離であるが、解像度に影響するビーム径はＤ１＞Ｄ２であるため、Ｄ２の方が光学的に高解像である。すなわち、Ｄ≧Ａの条件を満たすことで、光学的に高解像を達成することができる。

【0056】

以上のことから、投影光学系１での解像度を高めるためのＤに関する条件式はＤ≧Ａであることが結論付けられる。Ｄ＝ｄ₂−ｆ₂、Ａ＝πω₁²／λなので、
ｄ₂−ｆ₂≧πω₁²／λ
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ ……（７）

【0057】

式（７）を満たせば、長い投影距離を維持しながら、高解像を両立したプロジェクタを実現することが可能となる。

【0058】

第１レンズ群Ｇ１は、正レンズと負レンズとの組合せレンズを有することが好ましい。第１レンズ群Ｇ１によって、レーザ光を集光するが、集光側のレンズに色収差を補正するための正レンズと負レンズとの組合せレンズを使用すると、光源ＬＤａの各波長の色収差を補正することが可能となる。色収差を補正するためには正レンズと負レンズとで異なるアッベ数のガラスレンズの組合せを用いることが一般的である。

【0059】

また、第１レンズ群Ｇ１を、複数の正の単レンズのみから構成し、光源ＬＤａと第１レンズ群Ｇ１との間隔を調整することによって軸上色収差を補正するようにしてもよい。この場合、色収差補正用の組合せレンズを用いないので、コスト削減のメリットがある。この場合、第１レンズ群Ｇ１のレンズはガラス製でなく、プラスティック製のレンズを用いるとさらにコスト削減効果が大きい。

【0060】

第２レンズ群Ｇ２は、正レンズと負レンズとの組合せレンズを有することが好ましい。走査ミラーＭＭより後で少なくとも１組の正レンズと負レンズとの組合せレンズを用いることで、軸外で発生する倍率の色収差を補正することが可能となる。上記した第１レンズ群Ｇ１の好ましい構成では、軸上の色収差を補正することは可能だが、軸外の画角全体に亘って色収差を補正することは困難であるため、第２レンズ群Ｇ２で色収差を補正することが好ましい。第２レンズ群Ｇ２に少なくとも１組の正レンズと負レンズとの組合せレンズを使用すると、光源ＬＤａの各波長の色収差を補正することが可能となる。

【0061】

また、第２レンズ群Ｇ２は、少なくとも１面以上の自由曲面形状の透過面を有することが好ましい。第２レンズ群Ｇ２に軸対称なレンズを用いた場合、２次元走査した画像は歪が発生する。光学的に歪を補正するために、自由曲面形状のレンズを用いると光学的な歪が補正された良好な画像が得られる。

【0062】

上記した投影光学系１の基本構成によって、解像度を高めるために投影面での１画素に相当するビーム径は小さくなるが、式（３）で示されるようにガウシアンビームの特性としてビームが絞られる程広がり角は大きくなるので、焦点深度が狭くなり、フォーカスフリー特性から外れる。そこで、第１レンズ群Ｇ１内のレンズおよび第２レンズ群Ｇ２内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを光軸Ｚ１に沿う方向に動かすことによって、投影位置に対する合焦を行うようにしてもよい。これにより、解像度を高めながらも常に投影面でピントが合った状態で画像を観察することができる。

【0063】

また、第１レンズ群Ｇ１内のレンズおよび第２レンズ群Ｇ２内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを光軸Ｚ１に垂直な方向に動かすことによって、投影像を光軸Ｚ１に垂直な方向に調整するようにしてもよい。これにより、投影像を光軸Ｚ１に垂直な面内で移動させることができる。

【0064】

（画像投影装置）
少なくとも、光源ＬＤａと、上記した基本構成および好ましい構成を適宜満足した投影光学系１とを用いて、画像投影装置を構成してもよい。

【0065】

（画像投影システム）
少なくとも、光源ＬＤａと、上記した基本構成および好ましい構成を適宜満足した投影光学系１と、投影光学系１による投影像を観察するための接眼光学系とを用いて、画像投影システムを構成してもよい。

【0066】

以下、上記した投影光学系１の基本構成および好ましい構成を適宜満足した、より具体的な実施の形態を説明する。なお、以下では、上記した投影光学系１の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

【0067】

＜１．第１の実施の形態＞
図３は、本開示の第１の実施の形態に係る投影光学系１Ａ、および画像投影装置１０の概略構成を示している。

【0068】

本実施の形態に係る画像投影装置１０は、光源ＬＤａと、投影光学系１Ａと、制御部１１とを備えている。

【0069】

投影光学系１Ａは、光軸Ｚ１に沿って光源ＬＤａ側から投影側に向かって順に、第１レンズ群Ｇ１と、走査ミラーＭＭと、第２レンズ群Ｇ２とを備えている。

【0070】

第１レンズ群Ｇ１は、レンズＬ１，Ｌ２を有している。第２レンズ群Ｇ２は、レンズＬ３を有している。

【0071】

制御部１１は、光源制御部１２と、走査制御部１３とを有している。光源制御部１２は、画像データに基づいて光源ＬＤａの発光制御を行う。走査制御部１３は、画像データに基づいて走査ミラーＭＭによる走査方向および走査タイミングを制御する。

【0072】

光源ＬＤａは、例えば小型のＬＤ（Laser Diode）を用いることができる。光源ＬＤａには、ＬＤの代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いても構わない。

【0073】

光源ＬＤａからは、画像データに基づいて強度変調されたレーザ光が出力される。光源ＬＤａからのレーザ光は、第１レンズ群Ｇ１のレンズＬ１によって略平行光となる。その後、第１レンズ群Ｇ１のレンズＬ２によって略平行光は集光されて、光軸Ｚ１に沿って第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に１次結像点が形成される。

【0074】

レンズＬ１とレンズＬ２はどちらも正の焦点距離を持つレンズであり、それらの合成である第１レンズ群Ｇ１の焦点距離も正の値を持つ。第１レンズ群Ｇ１の後の１次結像点近傍に走査ミラーＭＭが位置している。走査ミラーＭＭとしては、２次元的に偏向走査可能なＭＥＭＳミラーを用いることができる。１次結像点の位置は走査ミラーＭＭの位置と同じ位置でなくてもよい。走査ミラーＭＭが１次結像点の位置からずれたとしても、１次結像点からの光束の広がりの大きさが走査ミラーＭＭの有効径以下であれば問題ない。走査ミラーＭＭと１次結像点との距離を近くすることで、走査ミラーＭＭの有効径を小さくすることができ、装置の小型化やミラー特性の低下と高コスト化を防ぐ利点がある。投影光学系１Ａでは、レンズＬ２によって１次結像点でのＮＡを大きくすることができるので、その後の第２レンズ群Ｇ２の出射側のＮＡも大きくすることができる。

【0075】

レンズＬ３は正の焦点距離を持ち、第２レンズ群Ｇ２全体も正の焦点距離を持つ。走査ミラーＭＭで２次元的に走査された光は、第２レンズ群Ｇ２のレンズＬ３で投影面２に投影される。ここで、投影面２とは２次結像点である第２レンズ群Ｇ２透過後のビームウェストもしくはその近傍に位置する光軸Ｚ１に垂直な平面を指す。これにより、投影面２では２次元の画像を観察することが可能となる。光学的に高解像度化を実現するためにはＮＡを高くする必要があるため、最も投影面２に近いレンズＬ３では大きな光束径が必要となる。

【0076】

（変形例）
第１の実施の形態の変形例として、１次結像点の位置にピンホールを配置し、ピンホールを１次結像点の代わりとして機能させるようにしてもよい。ピンホールの径を小さくすれば、ＮＡを大きくすることができるので、仕様に応じて解像度を調整することができる。この変形例はピンポールを配置するだけでよく、第１レンズ群Ｇ１の組み立て調整が不要であるので、製造時の作業を大幅に軽減、簡素化できる利点がある。

【0077】

＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置について説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

【0078】

本実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置の構成は、図３に示した投影光学系１Ａ、および画像投影装置１０の構成と略同様であってもよい。

【0079】

本実施の形態では、図３に示した投影光学系１Ａのより具体的な数値実施例を提供する。表２に具体的な数値実施例を示す。

【0080】

【表2】

【0081】

表２において、ｆはレンズの焦点距離、ｓは、ある光学素子から次の光学素子までの距離、ωは光学素子透過後のビームウェストの半径、ｄ’は光学素子からビームウェストまでの距離を表す。光源ＬＤａの波長は５２５ｎｍである。レンズＬ２において、ｄ’＜ｓであるため、レンズＬ２とレンズＬ３との間にビームウェストが存在する。すなわち、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に１次結像点があり、上記した投影光学系１の基本構成を満たす数値実施例となっている。

【0082】

第２レンズ群Ｇ２の焦点距離をｆ₂、第１レンズ群Ｇ１透過後の１次結像点のビームウェスト半径をω₁、１次結像点から第２レンズ群Ｇ２の前側主点までの距離をｄ₂、波長をλとする場合、表２の数値実施例では、
ｆ₂＝２８．０
ω₁＝０．００７６
λ＝０．０００５２５
ｆ₂＋π・ω₁²／λ＝２８．３４６（小数第４位を四捨五入）
ｄ₂はレンズＬ２とレンズＬ３との間の距離ｓ＝３０．０５８からレンズＬ２透過後のビームウェストの距離ｄ’＝２．２１８を引いた値である。すなわち、
ｄ₂＝３０．０５８−２．２１８＝３０．８４
であり、上記式（７）を満たしている。

【0083】

図４は、投影光学系１Ａにおける投影距離と解像度の変化の一例を示している。
図４には、Ｄ＝ｄ₂−ｆ₂（＞０）、Ａ＝πω₁²／λとおいた場合のＤに対するｄ₂’とω₂の変化を表したグラフを示す。ｄ₂’は、第２レンズ群Ｇ２の後側主点から投影面２までの投影距離を示す。本実施の形態では、Ｄ＝２．８４，Ａ＝０．３５となっており、Ｄ≧Ａの範囲内で、できるだけ大きく取りながらもｄ₂’を最大限にすることで投影距離と解像度のバランスの取れた設計になっている。

【0084】

次に、光源ＬＤａの波長が変わる場合を考える。一般的に波長が長い程、絞られるビームが大きくなる。このため、通常は式（７）は右辺の第２項の影響で長波長程、数値が大きくなる。よって、式（７）は使用波長の最も長波長が満たせば、短波長も同時に満たす。例えば、光源ＬＤａとして、６４０ｎｍの赤色光源、５２５ｎｍの緑色光源、４４５ｎｍの青色光源の３種類の波長のＬＤを用いた場合、赤色の６４０ｎｍで式（７）を満たせば５２５ｎｍや４４５ｎｍの波長も同時に式（７）を満たす。ただし、上記第１の実施の形態の変形例のように、１次結像点の位置にピンホールを配置した場合、波長に関わらずω₁がほぼ同じ値になるため、上記関係が逆転して式（７）は短波長程、数値が大きくなる。よって、その場合、式（７）は使用波長の最も短波長が満たせば、長波長も同時に満たす。例えば青色光源の４４５ｎｍが式（７）を満たせば、６４０ｎｍや５２５ｎｍの波長でも同時に式（７）を満たすことになる。

【0085】

その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１の実施の形態に係る投影光学系１Ａ、および画像投影装置１０と略同様であってもよい。

【0086】

＜３．第３の実施の形態＞
次に、本開示の第３の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置について説明する。なお、以下では、上記第１または第２の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

【0087】

図５は、本開示の第３の実施の形態に係る投影光学系１Ｂの概略構成を示している。

【0088】

投影光学系１Ｂは、カラー映像を投影するための構成となっている。カラー映像を投影するためには複数のレーザ光源を用いる必要がある。例えば、光源ＬＤａとして、赤色（Ｒ）光源ＬＤｒと緑色（Ｇ）光源ＬＤｇと青色（Ｂ）光源ＬＤｂとの３色の光源を用いてカラー映像を形成することができる。この場合、各光源からの光を合成するための合成光学系が必要となる。赤色光源ＬＤｒは例えば波長６４０ｎｍのＬＤ、緑色光源ＬＤｇは例えば波長５２５ｎｍのＬＤ、青色光源ＬＤｂは例えば波長４４５ｎｍのＬＤとなっている。

【0089】

第１レンズ群Ｇ１は、レンズＬ１Ｒ，Ｌ１Ｇ，Ｌ１ＢとレンズＬ２とからなる。レンズＬ１Ｒ，Ｌ１Ｇ，Ｌ１Ｂは各波長の光を平行光にする機能を持つ。レンズＬ１Ｒは、赤色光源ＬＤｒ用のコリメータとなっている。レンズＬ１Ｇは、緑色光源ＬＤｇ用のコリメータとなっている。レンズＬ１Ｂは、青色光源ＬＤｂ用のコリメータとなっている。

【0090】

本実施の形態では、ミラーＭ１とダイクロイックミラーＭ２，Ｍ３とを合成光学系として用いて、各光源からの光を同一光軸上になるように合成した後にレンズＬ２に入射させる。ダイクロイックミラーＭ２，Ｍ３は、ダイクロイックプリズムによって構成しても構わない。

【0091】

ミラーＭ１は、赤色光源ＬＤｒとレンズＬ１Ｒの光軸Ｚ１Ｒ上に配置されている。ミラーＭ１は、赤色のレーザ光を反射する。

【0092】

ダイクロイックミラーＭ２は、緑色光源ＬＤｇとレンズＬ１Ｇの光軸Ｚ１Ｇ上に配置されている。ダイクロイックミラーＭ２は、緑色のレーザ光を反射し、赤色のレーザ光を透過する。

【0093】

ダイクロイックミラーＭ３は、青色光源ＬＤｂとレンズＬ１Ｂの光軸Ｚ１Ｂ上に配置されている。ダイクロイックミラーＭ３は、赤色と緑色のレーザ光を反射し、青色のレーザ光を透過する。

【0094】

レンズＬ２は、レンズＬ１Ｒ，Ｌ１Ｇ，Ｌ１Ｂからの平行光を集光して１次結像させる。レンズＬ２からの光は走査ミラーＭＭで２次元的に偏向走査させられて第２レンズ群Ｇ２を通って投影位置に投影される。

【0095】

本実施の形態に係る投影光学系１Ｂにおいて、画像が表示される投影面２での色収差の問題を、以下の方法で解決してもよい。例えば、レンズＬ２に正レンズと負レンズとの組合せレンズを用いることで色収差を低減してもよい。正レンズと負レンズとの組合せレンズには、色分散の異なるガラスレンズの接合レンズを使用することが望ましい。

【0096】

上記とは別の方法で、色収差を低減可能で、かつコストを下げるために効果的な方法としてレンズＬ２にプラスティックの単レンズを用いてもよい。第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とで発生する色収差に対して逆方向の色収差を発生させて補正すれば、トータルとして色収差が補正される。第１レンズ群Ｇ１で所望の色収差を発生させるためには、レンズＬ１Ｒと赤色光源ＬＤｒとの間、レンズＬ１Ｇと緑色光源ＬＤｇとの間、およびレンズＬ１Ｂと青色光源ＬＤｂとの間の少なくとも１つの距離を調節することで、レンズＬ２より後での各波長の１次結像点、すなわち各光源の１次結像点の位置を変化させればよい。

【0097】

その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１または第２の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置と略同様であってもよい。

【0098】

＜４．第４の実施の形態＞
次に、本開示の第４の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第３の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

【0099】

図６は、第４の実施の形態に係る画像投影システム２０の概略構成を示している。

【0100】

本実施の形態に係る画像投影システム２０は、投影光学系１Ｃを有する画像投影装置１０Ａと、投影光学系１Ｃによる投影像を観察するための接眼光学系２１とを備えている。

【0101】

本実施の形態では、投影光学系１Ｃの投影面２での画像サイズが例えば２４ｍｍ×１８ｍｍとなっている。投影光学系１Ｃにおける走査ミラーＭＭの振り角は上記画像サイズになるように設定している。本実施の形態では、（投影距離）／（投影される画像の幅）で定義されるスローレシオ（throw ratio）が１７．１と、一般的なプロジェクタに比べて非常に大きく設定されている。このように非常に大きいスローレシオのプロジェクタ用途としては、例えば、メガネ型ディスプレイ用の投影プロジェクタで、特に画像投影部とメガネ部とが分離しているタイプのディスプレイが考えられる。画像の観察者のメガネ部に配置された接眼光学系２１の前側焦点位置にプロジェクタの映像を投影することで、観察者の網膜上に直接画像を投影することができる。画像サイズが小さいことで、１画素あたりのビーム径を小さく絞り込まなければならないため、本開示による高解像度化の技術が有用となる。

【0102】

接眼光学系２１は、例えばガラス材などを用いた屈折タイプの接眼レンズである。接眼光学系２１は、体積型ＨＯＥ（Holographic Optical Element）を用いた回折タイプの接眼レンズであってもよい。接眼レンズに体積型ＨＯＥを用いる場合、その波長選択性によって、例えば光源の波長以外の光をそのまま透過させる性質を持たせることができる。これにより、シースルーでプロジェクタの投影画像を観察することが可能となる。

【0103】

図７は、投影光学系１Ｃの概略構成を示している。
投影光学系１Ｃは、カラー映像を投影するための構成となっている。カラー映像を投影するためには複数のレーザ光源を用いる必要がある。例えば、赤色光源ＬＤｒと緑色光源ＬＤｇと青色光源ＬＤｂとの３色の光源を用いてカラー映像を形成することができる。この場合、各光源からの光を合成するための合成光学系が必要となる。赤色光源ＬＤｒは例えば波長６４０ｎｍのＬＤ、緑色光源ＬＤｇは例えば波長５２５ｎｍのＬＤ、青色光源ＬＤｂは例えば波長４４５ｎｍのＬＤとなっている。緑色光源ＬＤｇの放射角は水平方向（Ｘ方向）が例えば２２°、垂直方向（Ｙ方向）が例えば１２°となっている。

【0104】

第１レンズ群Ｇ１は、レンズＬ１Ｒ，Ｌ１Ｇ，Ｌ１ＢとレンズＬ２とからなる。レンズＬ１Ｒ，Ｌ１Ｇ，Ｌ１Ｂは各波長の光を平行光にする機能を持つ。レンズＬ１Ｒは、赤色光源ＬＤｒ用のコリメータとなっている。レンズＬ１Ｇは、緑色光源ＬＤｇ用のコリメータとなっている。レンズＬ１Ｂは、青色光源ＬＤｂ用のコリメータとなっている。

【0105】

本実施の形態では、ミラーＭ１とダイクロイックミラーＭ２，Ｍ３とを合成光学系として用いて、各光源からの光を同一光軸上になるように合成した後にレンズＬ２に入射させる。ダイクロイックミラーＭ２，Ｍ３は、ダイクロイックプリズムによって構成しても構わない。

【0106】

ミラーＭ１は、赤色光源ＬＤｒとレンズＬ１Ｒの光軸Ｚ１Ｒ上に配置されている。ミラーＭ１は、赤色のレーザ光を反射する。

【0107】

ダイクロイックミラーＭ２は、緑色光源ＬＤｇとレンズＬ１Ｇの光軸Ｚ１Ｇ上に配置されている。ダイクロイックミラーＭ２は、緑色のレーザ光を反射し、赤色のレーザ光を透過する。

【0108】

ダイクロイックミラーＭ３は、青色光源ＬＤｂとレンズＬ１Ｂの光軸Ｚ１Ｂ上に配置されている。ダイクロイックミラーＭ３は、赤色と緑色のレーザ光を反射し、青色のレーザ光を透過する。

【0109】

レンズＬ２は、レンズＬ１Ｒ，Ｌ１Ｇ，Ｌ１Ｂからの平行光を集光して１次結像させる。光学系のＮＡを決めるために、ダイクロイックミラーＭ３とレンズＬ２との間に、例えばφ１ｍｍの円形のアパーチャを設けてもよい。本実施の形態では、レンズＬ２に、正レンズと負レンズとの組合せレンズを用いることで、色収差を補正している。

【0110】

第２レンズ群Ｇ２は、レンズＬ３とレンズＬ４とからなる。レンズＬ３には、正レンズと負レンズとの組合せレンズを用いている。これにより、軸外の倍率色収差を低減している。

【0111】

本実施の形態では、走査ミラーＭＭとしてＭＥＭＳミラーを使って２次元走査を行う。第１走査方向を水平方向とし、第２走査方向を垂直方向とすると、第１走査方向は共振運動によって走査を行い、第２走査方向は非共振運動によって走査を行う。横軸は水平方向、縦軸は垂直方向である。

【0112】

表３に、赤色光源ＬＤｒから走査ミラーＭＭまでの光路データを示す。表４には、緑色光源ＬＤｇから走査ミラーＭＭまでの光路データを示す。表５には、青色光源ＬＤｂから走査ミラーＭＭまでの光路データを示す。表６には、走査ミラーＭＭから投影面２までの光路データを示す。表３〜表６において、「面形状」の欄にはミラーの場合は平面と記載している。また、「面形状」の欄には、レンズの場合は球面、非球面、自由曲面のレンズの形状の種別を記載している。「ＡＤＥ」の欄には光軸Ｚ１と第１走査方向とを含む平面に垂直な方向を回転軸とした光学面の回転角（度）を記す。「Ｒ」の欄には、曲率半径の値（ｍｍ）を示す。Ｒの値が「ＩＮＦ」となっている部分は平面、または仮想面等を示す。「面間隔」の欄には、光軸上の隣り合う面の間隔の値（ｍｍ）を示す。「ｎｄ」の欄には光学素子のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率の値を示す。「νｄ」の欄には光学素子のｄ線におけるアッベ数の値を示す。

【0113】

表７には、レンズＬ１Ｒの両面の非球面形状の係数の値を示す。表８にはレンズＬ１Ｇの両面の非球面形状の係数の値を示す。表９には、レンズＬ１Ｂの両面の非球面形状の係数の値を示す。表１０には、レンズＬ４の両面の自由曲面形状の係数の値を示す。表７〜表１０において、Ｒ１は光源側、Ｒ２は投影面側の面を示す。

【0114】

ここで、「非球面形状」とは球面ではない回転対称な面形状を意味する。「自由曲面」とは非回転対称な面を意味し、ここではＸＹ多項式によって表現する。式（８）に非球面形状を表す式、式（９）に自由曲面形状を表す式を示す。
ただし、
ｋ：コーニック定数
ｒ：面中心からの半径距離
ｚ：光軸に平行な面のサグ量
ｃ：面頂点での曲率
とする。

【数5】

【0115】

【数6】

【0116】

【表3】

【0117】

【表4】

【0118】

【表5】

【0119】

【表6】

【0120】

【表7】

【0121】

【表8】

【0122】

【表9】

【0123】

【表10】

【0124】

図８は、投影光学系１Ｃによる投影位置近傍での水平方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示している。図９は、投影光学系１Ｃによる投影位置近傍での垂直方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示している。ビーム径の計算は光学シミュレーションソフト”ＣＯＤＥ Ｖ”を用いた。波長は緑の５２５ｎｍである。図８および図９において、横軸はスクリーンのデフォーカス量ΔＺ、縦軸はビーム径を示す。ビーム径は、ビームのピーク強度値が１／ｅ²となる位置でのビーム幅［ｍｍ］を示す。ΔＺは、光軸に沿って光源から２次結像点へ向かう光線の進む方向をプラスとしたスクリーンのデフォーカス量［ｍｍ］を示す。

【0125】

図８および図９から、最小ビーム径は水平方向でφ０．０７２ｍｍ、垂直方向でφ０．０８２ｍｍである。また、比較のために従来のプロジェクタ光学系として、光源からの光をコリメータによって平行光で投影する場合のビーム径を計算シミュレーションによって求めた。投影面２の距離を本実施の形態と略同様にコリメータから４１０ｍｍとすると、投影面２でのビーム径は約φ１ｍｍ程度となる。これに対して、本実施の形態に係る投影光学系１Ｃでは、ビーム径が１／１０以下まで小さく絞れており、高解像度化の効果が確認できた。

【0126】

図１０は、投影光学系１ＣにおけるレンズＬ４の自由曲面の形状を模式的に示している。投影光学系１Ｃでは、表６、表１０に示したように、レンズＬ４の両面が自由曲面形状の透過面となっている。図１０においてＸ軸が水平方向、Ｙ軸が垂直方向であり、レンズＬ４の両面はともにＸ軸に対しては対称、Ｙ軸に対しては非対称となっている。一般的に２次元走査ミラーで平面スクリーンに投影すると、２次元画像に歪みが発生することが知られている。レンズＬ４に自由曲面形状のレンズを用いることによって、画像の歪曲を補正することができる。

【0127】

図１１は、投影光学系１Ｃによる投影面２での２次元画像の歪曲特性を示している。
図１１では、走査ミラーＭＭの走査範囲を分割した各振り角に応じた投影面２でのビーム結像位置を示している。画像の歪曲が非常に良く補正されていることが分かる。

【0128】

その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１ないし第３の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置と略同様であってもよい。

【0129】

＜５．第５の実施の形態＞
次に、本開示の第５の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第４の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。

【0130】

図７の投影光学系１Ｃにおいて、第１レンズ群Ｇ１内のレンズおよび第２レンズ群Ｇ２内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを光軸Ｚ１に沿う方向に動かすことによって、投影位置に対する合焦を行うようにしてもよい。また、第１レンズ群Ｇ１内のレンズおよび第２レンズ群Ｇ２内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを光軸Ｚ１に垂直な方向に動かすことによって、投影像を光軸Ｚ１に垂直な方向に調整するようにしてもよい。

【0131】

例えば、図７に示したように、レンズＬ２を光軸Ｚ１に沿う方向に駆動させることによって、２次結像点の合焦位置を変化させることができる。本実施の形態ではレンズＬ２を駆動させているが、他の単体レンズ、もしくは２枚以上のレンズを駆動させても構わない。レンズＬ２に入射する光は略平行光であるため、レンズＬ２を光軸Ｚ１に沿う方向に駆動させても１次結像点の結像性能はほとんど劣化しない。レンズＬ２を光軸Ｚ１に沿って駆動させると走査ミラーＭＭの面上でのビーム径が変化するが、レンズＬ２の駆動範囲内でのビーム径の最大値が走査ミラーＭＭの有効径より小さくなるように設計すれば問題ない。

【0132】

なお、本実施の形態での投影光学系１Ｃにおける光学素子の面形状、光源の波長、および光源の放射角などの条件は上記第４の実施の形態と略同様であってもよい。

【0133】

図１２は、本実施の形態に係る投影光学系による投影位置近傍での水平方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示している。図１３は、本実施の形態に係る投影光学系による投影位置近傍での垂直方向のビーム径のデフォーカス特性の一例を示している。図１２および図１３では、レンズＬ２をΔＺＬの量で駆動したときの画面中央のビーム径のデフォーカス特性を表している。波長は緑の５２５ｎｍである。ビーム径の計算は光学シミュレーションソフト”ＣＯＤＥ Ｖ”を用いた。ΔＺＬは、レンズＬ２の光軸Ｚ１に沿う駆動量［ｍｍ］である。図１２および図１３において、横軸はスクリーンのデフォーカス量ΔＺ、縦軸はビーム径を示す。ビーム径は、ビームのピーク強度値が１／ｅ²となる位置でのビーム幅［ｍｍ］を示す。ΔＺは、表６の投影面２の位置を基準として光源側をマイナスとしたときのスクリーンのデフォーカス量［ｍｍ］を示す。ΔＺＬ，ΔＺともに光軸に沿って光源から２次結像点へ向かう光線の進む方向をプラスとする。

【0134】

レンズＬ２を駆動させることによって、すなわちΔＺＬを変化させることによって、ビーム径の最小位置、すなわちピントが合う面を移動させることができるので、常に高解像でシャープな画像を映し出すことが可能となる。その際、走査ミラーＭＭを第２レンズ群Ｇ２の前側焦点位置に配置して、テレセントリックな光学系にすると、投影面２の光軸方向の移動による画像の倍率変動を無くすことができる。光学系の大きさの制限からテレセントリックな光学系にできない場合、投影面２の光軸方向の移動による画像の倍率変動が生じるが、投影面２の位置と拡大縮小率はあらかじめ分かる数値情報なので、投影面２の位置に応じた元画像の倍率を補正する映像処理によってあたかも倍率変動が無いかのように映し出すことができる。

【0135】

また、光軸Ｚ１に垂直な面内でレンズＬ２を駆動させると、１次結像点を光軸Ｚ１に対して垂直な面内で駆動させることができるので、ひいては１次結像点の像である２次結像点を光軸Ｚ１に垂直な方向に調整することができる。レンズＬ２を光軸Ｚ１に垂直な方向に駆動させると走査ミラーＭＭの面上でのビーム位置が変化するが、レンズＬ２の駆動範囲内でのビーム径端が走査ミラーＭＭの有効径より内側になるように設計すれば問題ない。レンズ駆動による軸外特性の劣化が著しく大きくならない程度に駆動量の大きさを決めるべきである。

【0136】

その他の構成、動作、ならびに効果は、上記第１ないし第４の実施の形態に係る投影光学系、および画像投影装置と略同様であってもよい。

【0137】

＜６．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

【0138】

例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
（１）
光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記光源からの光を、前記光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、
前記第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記偏向器からの光を、前記１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群と
を備え、
前記第１レンズ群は、前記光軸に沿って前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に前記１次結像点を形成する
投影光学系。
（２）
前記第２レンズ群の焦点距離をｆ₂、前記１次結像点のビームウェスト半径をω₁、前記１次結像点から前記第２レンズ群の前側主点までの距離をｄ₂とし、所定の波長λで、以下の式を満足する
上記（１）に記載の投影光学系。
ｄ₂≧ｆ₂＋π・ω₁²／λ
（３）
前記第１レンズ群は、正レンズと負レンズとの組合せレンズを有する
上記（１）または（２）に記載の投影光学系。
（４）
前記第１レンズ群は、複数の正の単レンズのみからなり、前記光源と前記第１レンズ群との間隔を調整することによって軸上色収差を補正する
上記（１）または（２）に記載の投影光学系。
（５）
前記第２レンズ群は、正レンズと負レンズとの組合せレンズを有する
上記（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の投影光学系。
（６）
前記第２レンズ群は、少なくとも１面以上の自由曲面形状の透過面を有する
上記（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の投影光学系。
（７）
前記第１レンズ群内のレンズおよび前記第２レンズ群内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを前記光軸に沿う方向に動かすことによって、投影位置に対する合焦を行う
上記（１）ないし（６）のいずれか１つに記載の投影光学系。
（８）
前記第１レンズ群内のレンズおよび前記第２レンズ群内のレンズのうち、少なくとも１つのレンズを前記光軸に垂直な方向に動かすことによって、投影像を前記光軸に垂直な方向に調整する
上記（１）ないし（７）のいずれか１つに記載の投影光学系。
（９）
光源と、
前記光源からの光に基づいて画像を投影する投影光学系と
を含み、
前記投影光学系は、
光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記光源からの光を、前記光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、
前記第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記偏向器からの光を、前記１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群と
を備え、
前記第１レンズ群は、前記光軸に沿って前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に前記１次結像点を形成する
画像投影装置。
（１０）
光源と、
前記光源からの光に基づいて画像を投影する投影光学系と、
前記投影光学系による投影像を観察するための接眼光学系と
を含み、
前記投影光学系は、
光軸に沿って光源側から投影側に向かって順に、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記光源からの光を、前記光源の像である１次結像点に集光させる第１レンズ群と、
前記第１レンズ群からの光を走査する偏向器と、
少なくとも１枚のレンズを有し、正の焦点距離を持ち、前記偏向器からの光を、前記１次結像点の像である２次結像点の位置に結像させる第２レンズ群と
を備え、
前記第１レンズ群は、前記光軸に沿って前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に前記１次結像点を形成する
画像投影システム。

【0139】

本出願は、日本国特許庁において２０１６年１２月１２日に出願された日本特許出願番号第２０１６−２４０５１４号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

【0140】

当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

【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13】