JP2004020590A - 光走査装置及び２次元画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光走査装置において、２次元像に係る像面湾曲の補正及び結像性能の向上を、低コストで簡易に実現する。
【解決手段】光源装置２ａ、２ｂ、２ｃから出射されるビームを、ライン状の光束に変換した上で光変調器４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ照射して変調する。そして、変調後のビームは光学系６を経てから、光偏向手段７において、ライン方向に対して垂直に偏向されることで光走査され、補正光学系８を介して像面へ出射されて２次元像が形成される。補正光学系８について、負のパワーをもつ像面補正系９と、正パワーのリニアフレネル素子１０を設けるともに、リニアフレネル素子１０の出射面側には、像側テレセントリック補正と各光源波長に係る位相整合用のリニアフレネル面を形成した。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ライン状ビーム光源及び光偏向手段を用いて、２次元像を形成するための技術に関する。例えば、スクリーン上に映像を拡大投影する画像表示装置（プロジェクタ装置）等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
２次元像を投射レンズ（あるいは投影レンズ）で拡大投影する装置として、ＯＨＰ（オーバーヘッドプロジェクタ）や液晶式プロジェクタ等、各種の投射装置が実用化されている。また、レーザビームを用いて所定の面（被走査面）上に２次元像を形成する光走査装置においては、水平方向に係る走査偏向器と、垂直方向に係る偏向器を用いる形態等が知られている。
【０００３】
光偏向器を使用してビームを走査する場合には、画角を「θ」とし、投影距離を「ｄ」とするとき、「ｄ−（ｄ×ｃｏｓθ）」の像面湾曲が発生するため、像面湾曲量を補正してビームを等速度で走査させるには、像面補正レンズ等を用いる必要がある。例えば、レーザビームプリンタや、ディジタル複写機等では、ｆθ特性をもつ補正光学系（所謂ｆθレンズ系）が各種提案されて実用化されている。
【０００４】
像側がテレセントリックな条件となる光学系の場合に、ｆθレンズを使用して像面湾曲補正を行う例としては、特許第３１４２３８０号公報（５群６枚構成）、特許第２９４５０９７号公報（５群５枚構成）等が挙げられる。
【０００５】
また、回折格子を形成した軸対称形状のｆθレンズを用いた光走査装置の構成については、環境変動による収差への影響を低減することを目的とする特開２０００−２２１４３４号公報や、装置の高速化や小型化等に関して、特開２０００−７５２２９号公報等に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成にあっては、２次元像に係る像面湾曲を低減する場合の弊害として、レンズ構成が複雑化したり、レンズ配置に必要なスペースが大きくなったり（小型化等に支障を来たす）、高価になる傾向がある。また、回折格子の使用において、例えば、レーザ光源を点光源として集光レンズ系等でコリメートされた、コヒーレント光を用いる場合、位相の影響を充分に考慮して設計しないとビームの結像状態に悪影響を及ぼす虞がある（性能低下の原因となる。）。
【０００７】
そこで、本発明は、光走査装置において、２次元像に係る像面湾曲の補正及び結像性能の向上を、低コストで簡易に実現することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、コヒーレントなライン状ビームを発する光源と、該光源から出射されたライン状ビームに対して光走査を行うための光偏向手段と、光偏向手段によって偏向されたライン状ビームを、リニアフレネル素子を介して被走査面上に導くとともに像面湾曲について補正するための補正光学系を備えたものである。
【０００９】
従って、本発明によれば、ライン状ビームに対して、補正光学系により像面湾曲補正を行えるので、レンズ構成の点で有利である（例えば、円筒面に係る像面補正を行う場合に、当該円筒面の中心軸に直交する面内においてのみパワーをもつレンズを使用すれば済む。）。また、リニアフレネル素子については、ライン状ビームに係るライン方向と、その直交方向（光走査方向）とで光路差が小さいので位相合わせが容易であり、また当該素子の使用によりレンズ構成が簡単化される（球面レンズや、楕円形レンズ、フレネル面を有する球形レンズ等に比較して、余計なレンズパワーを必要とせずに、像面湾曲補正を行える。）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、光走査装置に関するものであり、例えば、ライン状ビームに係るコヒーレント光源を用いたプロジェクタ装置等の、２次元像形成装置への適用が挙げられる。
【００１１】
図１は、本発明に係る２次元画像表示装置の構成例を示すものであり、３原色（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）の各ビーム光を用いてカラー表示を行う場合の適用例を示している。尚、本発明についてはカラー表示系に限定される訳ではないので、単色表示系への適用が勿論可能である。
【００１２】
２次元画像表示装置１を構成する光走査装置１ａでは、コヒーレントなライン状（線状）ビームを発する光源２を備えている。ライン状ビームの形成については、複数の発光素子をライン状に配列させた構造を用いる形態（ライン状発光デバイス）と、複数の光変調素子をライン状に配列させた構造を用いる形態（１次元液晶式デバイスや１次元変調デバイス等）が挙げられ、後者では素子自体が発光しないので光源が別に必要である。本例では、３原色の各色に対応した光源装置及び集光レンズ、光変調手段（１次元光変調素子）を用いた構成を採っている。
【００１３】
波長の異なる３つの光源装置２ａ、２ｂ、２ｃとしては、レーザ（半導体レーザ等）が用いられ、各装置に係る光の波長については、赤色光が６４２ｎｍ（ナノメートル）、緑色光が５３２ｎｍ、青色光が４５７ｎｍとされている。尚、各光源装置は、図示しないレーザ駆動回路によってそれぞれ制御される。
【００１４】
集光レンズ３ａ、３ｂ、３ｃは、光源装置２ａ、２ｂ、２ｃと、各光源装置に対してそれぞれに設けられたライン状光変調器４ａ、４ｂ、４ｃとの間に位置されている。各集光レンズはシリンダー（円筒面）形状のレンズであり、各光源装置から出射される光をライン状に集光する。これは、各ライン状光変調器について、入射側テレセントリックな条件となるように集光するためである。尚、光源装置２ａからの光が集光レンズ３ａを透過してライン状光変調器４ａにライン状ビーム（例えば、赤色光ビーム）として照射され、同様に、光源装置２ｂからの光が集光レンズ３ｂを透過してライン状光変調器４ｂにライン状ビーム（例えば、緑色光ビーム）として照射され、光源装置２ｃからの光が集光レンズ３ｃを透過してライン状光変調器４ｃにライン状ビーム（例えば、青色光ビーム）として照射される。このように、各ビームについては、互いに異なる波長を有する複数のライン状ビームが用いられる。
【００１５】
光変調手段を構成するライン状光変調器４ａ、４ｂ、４ｃについては、複数の光変調部を一定方向に沿って配列させた構造を有しており、画像信号に基いて光変調を行うものである。例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）や、ＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｌｉｇｈｔ　Ｖａｌｖｅ）等が挙げられる。尚、各ライン状光変調器における光変調部の配列方向は図１の紙面に対して垂直な方向である。
【００１６】
ＧＬＶ素子を例にすると、該素子はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）技術を駆使して形成された位相反射型回折格子により構成されており、ＧＬＶに対して光を照射する照明光学系とともに用いることによって、画像信号に基いて各画素を構成する回折格子を機械的に動作させ、その結果生じる光の位相差を制御することで、ＧＬＶを画像表示素子として機能させることができる。尚、反射回折格子型では、基板上に多数の可動格子及び固定格子を、一定方向に配列した構成を有しており、交互に配列された可動格子と固定格子の表面に反射膜がそれぞれ形成されている。そして、基板の背面（可動格子及び固定格子が配置される方とは反対の面）には電極層が形成されており、可動格子と電極層との間に電位差を与えない状態では回折作用が起きず、正反射光が得られる。また、可動格子と電極層との間に電圧をかけると、可動格子が基板側に引き寄せられるので、光学的光路差が変化し、反射回折作用が起きる。つまり、電圧をかけない非駆動状態で０次反射光が得られ、電圧印加による駆動状態で回折光（１次回折光）が得られるので、それらの状態を画素毎に制御することで光変調が可能となる（各画素に対応する個々の可動格子の深さ（基板側への沈み込み量）を画像信号に対応させて制御を行うことにより、位相反射型回折格子が得られる。）。
【００１７】
各ライン状光変調器には、画像信号に応じた駆動信号が入力されてその変調効果によって回折が生じるが、ライン状光変調器４ａから生じた回折光は、ダイクロイックミラー５ａ、５ｂをこの順に透過する。また、ライン状光変調器４ｂから生じた回折光については、ダイクロイックミラー５ａで反射した後、ダイクロイックミラー５ｂを透過する。そして、ライン状光変調器４ｃから生じた回折光については、ダイクロイックミラー５ｂで反射する。
【００１８】
それぞれの回折光は、球面ミラー６ａ、６ｂからなる光学系６（本例では、等倍光学系）に入射される。本例では、これらのミラーがオフナー光学系を構成しており、各ライン状光変調器からの像（１次元像）を等倍にて投影するものであり、球面ミラー６ａ（凹面鏡）が正鏡であり、球面ミラー６ｂ（凸面鏡）が副鏡である。尚、本例では、等倍光学系の構成を採用しているが、本発明に関する限り、拡大光学系又は縮小光学系でも構わない。
【００１９】
このオフナー光学系では３回の反射後に光偏向手段７に対して光が出射される。つまり、１回目と３回目の反射が正鏡（球面ミラー６ａ）で行われ、２回目の反射が副鏡（球面ミラー６ｂ）で行われ、３回目の反射による光が光偏向手段７へと向かう光とされる。尚、１次元光変調素子として、ＧＬＶ素子のような位相反射型回折格子を用いる場合には、当該回折格子による回折光のうち、特定次数の回折光を遮断するシュリーレン絞りを、副鏡（オフナー光学系を採用する場合）に設定することが好ましく、これにより、構成部品の削減及び低コスト化を実現できる。
【００２０】
光偏向手段７は、ライン状ビームに対して、その形成方向（ライン方向）とは異なる方向、例えば、当該方向に対して直交方向に沿って光走査を行うために設けられている。本例では、回転反射鏡（片面反射とされる１面ミラー）が用いられており、該反射鏡は図示しない駆動手段（ガルバノメータ等）により、図１の紙面内で所定の角度範囲に亘って回動されて往復運動を行う（図の時計回り方向及び反時計回り方向を示す両向き矢印Ａを参照。）。
【００２１】
光偏向手段７により光走査された後、補正光学系（あるいは走査光学系）８へと向かう光については、被走査面（２次元像面）上に導光される。本例では、補正光学系８が、３枚のレンズ９ａ、９ｂ、９ｃからなる像面補正系９を備えており、レンズ９ｃの後方（出射側）にリニアフレネル素子１０を配置した構成を有する。つまり、光偏向手段７によって偏向されるライン状ビームについては、像面湾曲補正を必要とし、そのために、像面補正系９が、光の偏向方向を含む面内でフィールドフラットナーとしての機能を有する（光偏向手段による収差を低減するために、負レンズの作用をもつ。）。また、ライン状ビームを、被走査面１１上へと導く、リニアフレネル素子（本例ではリニアフレネルレンズ）１０については、例えば、レンズ９ｃに貼り合わされていて、その第一面（光偏向手段７側の面）が平面とされ、第二面（被走査面１１側の面）にリニアフレネル面が形成されている。尚、リニアフレネル素子１０はプラスチック材料で形成されるが、これは、リニアフレネル面の作成に精密加工を必要とすること及び低コスト化のためである。
【００２２】
リニアフレネル面（後で詳述する。）は、像面補正系９で像面湾曲補正がなされたビームについて、像側テレセントリックの特性とするために、光走査方向を含む面内においてパワーをもつ面である。つまり、像面補正系９については、光偏向手段７の偏向中心を含む軸（図１の紙面に直交する軸）を中心軸とする円筒面について像面湾曲を補正する必要から、当該円筒面の中心軸に直交する面内（図１の紙面内）で負のパワーを有している。従って、像側テレセントリックの条件を得るには、外向き（光軸から離れる方向）となる光を、被走査面１１に対してほぼ直角な光に補正する必要があり、そのために、リニアフレネル素子１０については、光偏向手段７による光の偏向方向を含む面内にのみパワーを有する（上記のように、補正すべき面が円筒面であり、ライン状ビームに係るライン方向及び光軸方向を含む面内でパワーをもつ必要はない。）。但し、像側テレセントリックの条件を必要としない構成形態の場合には、リニアフレネル素子１０について、光偏向手段７による光の偏向方向を含む面に対して直交する面内でのみパワーを有する構成でも勿論構わない。
【００２３】
光源２から補正光学系８までの光路を形成する各要素によって、光走査装置１ａが構成され、補正光学系８を経た後、被走査面１１において２次元像が得られることになる。そして、当該２次元像は拡大投影系１２を介してスクリーン１３上に拡大投影される。尚、拡大投影系１２を構成するレンズ系としては、２次元像を単に拡大してスクリーンに投射する機能を有していれば良く、例えば、液晶式プロジェクタ等で用いられる、２次元表示パネル（表示デバイス）用に設計された投影レンズ系等の仕様を踏襲して適用することができる（よって、詳細な説明及び図示を省略する。）。
【００２４】
このように、本例では、補正光学系８として、像面補正系９及びリニアフレネル素子１０を用いており、像面補正系９を３枚のレンズ構成としているが、その構成の如何は問わないし、本発明の適用において、像面補正系９を設けなくとも、リニアフレネル素子１０のみで像面湾曲補正を行う構成形態も可能である（例えば、入射光が平行光である場合等。）。
【００２５】
また、リニアフレネル素子１０については該素子へのライン状ビームの入射位置からリニアフレネル面を透過して被走査面１１に至るまでの各光路に係る光路長の差が、ライン状ビームの波長の整数倍又はこれに近い値（整数値を中心として上下限を設定した許容範囲）となるように、リニアフレネル面のサグ量を設定することが望ましい。つまり、レーザ光を使用する回折素子（回折格子やフレネルレンズを有する素子）に関しては、レーザ光の位相を考慮せずに設計すると、当該素子に入射するビームに対して、回折格子のピッチが狭い場合に位相差が２分の１波長（半波長）ずれてしまい、光の干渉による打ち消し合いのために、ビームの結像状態に影響を及ぼすからである。従って、リニアフレネル面を透過して被走査面１１に至るまでの各光路については、位相合わせを行う必要がある（リニアフレネル面は位相整合の役目をもつが、これについては後で詳述する。）。特に、Ｒ，Ｇ、Ｂの各色に対応する３波長のレーザを搭載した装置（レーザ光を利用した表示装置や投射装置等。）では、波長毎の位相合わせを行って位相を整合させることが必要である。
【００２６】
【実施例】
以下に、本発明に係る各実施例について、図２乃至図７に従って説明する。尚、各実施例では、正のパワーを有するリニアフレネル素子と、その前方（光偏向手段側）に配置された、負のパワーをもつ像面補正系を備えている。
【００２７】
図２及び図３は、本発明に係る第１の実施例について構成例を示したものである。
【００２８】
本実施例の基本的な構成については図１で説明した通りであるため、図２や図３では、その要部（光偏向手段７及び補正光学系８）だけを示す。
【００２９】
図２は、光偏向手段７、補正光学系８を構成するレンズ９ａ、９ｂ、９ｃ及びリニアフレネル素子１０、被走査面１１を示している（光偏向手段７による偏向方向を含む面での断面を示す。）。
【００３０】
尚、図２において、各レンズ（９ａ、９ｂ、９ｃ）及びリニアフレネル素子（リニアフレネルレンズ）１０に関する、ｘｙｚの各座標軸の設定については、ｚ軸を光軸にとり、光軸と各レンズのレンズ面との交点位置を原点とする。そして、図２の紙面（これが、主走査面に相当する。）において、ｚ軸に対して直交する軸をｙ軸とし、また、光軸を含み、かつ、図２の紙面に直交する面（これが、副走査面に相当する。）において、ｚ軸に対して直交する軸をｘ軸とする。
【００３１】
本例では３群４枚構成とされ、主走査面であるｙ−ｚ平面上でのレンズ形状に関して、当該平面にのみパワーをもつシリンダー面を備えている。つまり、レンズ９ａがメニスカス状（のシリンドリカルレンズ）とされ、レンズ９ｂ、９ｃが凹平形状（のシリンドリカルレンズ）とされている。そして、リニアフレネル素子１０については、レンズ９ｃ側の面が平面とされ、その反対側にリニアフレネル面が形成されている。
【００３２】
具体的な諸元については、下表に示す通りである。
【００３３】
【表１】

【００３４】
尚、上表及び後述の表中において、「ｉ」は、光偏向手段７（光偏向装置）から数えて、第ｉ番目に位置するレンズ面に付した面番号を表している。また、「Ｒｉｙ」、「Ｒｉｘ」は曲率半径を示し、第ｉ番目のレンズ面について、「Ｒｉｙ」が主走査方向（ｙ方向）を含む面内での曲率半径を示し、第ｉ番目のレンズ面について、「Ｒｉｘ」が副走査方向（ｘ方向）を含む面内での曲率半径を示している。「Ｄｉ」（ｉ＝１，２，…）は、第ｉ番目のレンズ面と第（ｉ＋１）番目のレンズ面との間の、光軸上の間隔を示し、「Ｄ０」（ｉ＝０）については光偏向手段７の偏向（中心）点から第１番目のレンズ面までの光軸上の距離を示している。
【００３５】
「ｊ」は各レンズに付した番号であり、光偏向手段７（光偏向装置）から数えて、第ｊ番目に位置するレンズを表している。そして、「Ｎｄｊ」は第ｊ番目のレンズの屈折率を示し、また、「νｄｊ」は第ｊ番目のレンズのアッベ数を示しており、いずれもｄ線（５８７．６ｎｍ）に関する値を示す。
【００３６】
本例では、表中の備考欄に示すように、第１面、第３面、第５面がシリンダー面（円筒面）であり、また、表１中の「Ｒｉｙ」欄に「※」印を付して示す、第８面の基本面については、下式に示すように、非球面式で表される。
【００３７】
【数１】

【００３８】
尚、上式中の「ｃ」が曲率を示し、「ｋ」が円錐係数を示しており、非球面係数については、４次項（係数「ａ_４」）及び６次項（係数「ａ_６」）について各係数を示している。また、「ｙ」はリニアフレネル素子１０の光軸からｙ方向に測った座標値を表し、「ｚ_ｎ」は頂点位置を原点とする、ｚ方向の座標値を表しており、添え字「ｎ」は、光軸から第ｎ番目に位置するリニアフレネル面（各ステップ面）に付した面番号を表している。
【００３９】
リニアフレネル面のサグ量「ΔＺ」として、隣接する面同士のｚ座標値の差、つまり、第（ｎ−１）番目のｚ値「ｚ_ｎ−１」と、第ｎ番目のｚ値「ｚ_ｎ」との差、「ΔＺ_ｎ＝ｚ_ｎ−ｚ_ｎ−１」で定義するとき、リニアフレネル面の角度「θ」（ｚ軸に直交する面を基準とした角度）は、逆正接関数「ａｒｃｔａｎ」を用いて下式のようになる。
【００４０】
【数２】

【００４１】
尚、上式では添え字「ｎ」を省略している。また、「ΔＹ」はｙ軸方向におけるリニアフレネル面の間隔を示している。
【００４２】
本例において、ｃ、ｋ、ａ_４、ａ_６の各値は、下表に示す通りである。
【００４３】
【表２】

【００４４】
尚、上表中の指数表示「Ｅ−Ｘ」は、１０の「−Ｘ」乗を意味する。
【００４５】
図３には、光偏向手段７に対して、像面補正系９（図には単レンズで簡略化して示す。）及びリニアフレネル素子１０を概略的に示している。
【００４６】
尚、図中の矢印Ａは、光偏向手段７の回動方向を示しており、また、矢印Ｓは、光走査方向を示している。
【００４７】
レンズ系に関して、主走査面（ｙ−ｚ平面）についてのみ、レンズパワーを有する構成とされるので、リニアフレネル面の各構成面１０ａ、１０ａ、…はｘ方向において、それぞれ平坦面とされ、主走査面において上記した角度θが個々に付与されることで傾斜面が形成されている。
【００４８】
図４は、リニアフレネル素子１０の一部分を概略的に例示したものであり、リニアフレネル面の各構成面１０ａのうち、隣接した部分を断面（ｙｚ断面）で示している。
【００４９】
図中の点「Ｂ１」は、上側（光軸から離れる方の側）の構成面の谷部を示しており、リニアフレネル素子１０のうち、光偏向手段７側に位置する平面（入射面「Ｉ」）から入射された光線Ｌ１が、点Ｂ１において屈折されて、被走査面１１（を示す線分）に対して垂直に出射される。
【００５０】
ここで、「θｆ１」、「Ｏｆ１」、「Ｏａ１」の意味は下記の通りである。
【００５１】
・「θｆ１」＝点Ｂ１における入射光線と出射光線とがなす角度
・「Ｏｆ１」＝光線Ｌ１がリニアフレネル素子１０に入射してから点Ｂ１に至るまでの光路長（つまり、入射面「Ｉ」への入射点と点Ｂ１とを結ぶ線分の長さに、リニアフレネル素子１０の屈折率「Ｎｆ」を掛けたもの）
・「Ｏａ１」＝点Ｂ１から被走査面１１までの光路長（つまり、点Ｂ１から被走査面１１に垂ろした垂線の足の長さに、空気媒質の屈折率１を掛けたもの）。
【００５２】
また、図中の点「Ｂ２」は、下側（光軸に近づく方の側）の構成面の谷部を示しており、リニアフレネル素子１０のうち、入射面「Ｉ」から入射された光線Ｌ２が、点Ｂ２において屈折され、被走査面１１（を示す線分）に対して垂直に出射される。
【００５３】
ここで、「θｆ２」、「Ｏｆ２」、「Ｏａ２」の意味は下記の通りである。
【００５４】
・「θｆ２」＝点Ｂ２における入射光線と出射光線とがなす角度
・「Ｏｆ２」＝光線Ｌ２がリニアフレネル素子１０に入射してから点Ｂ２に至るまでの光路長（つまり、入射面「Ｉ」への入射点と点Ｂ２とを結ぶ線分の長さに、リニアフレネル素子１０の屈折率「Ｎｆ」を掛けたもの）
・「Ｏａ２」＝点Ｂ２から被走査面１１までの光路長（つまり、点Ｂ２から被走査面１１に垂ろした垂線の足の長さに、空気媒質の屈折率１を掛けたもの）。
【００５５】
尚、図中の「θｓ」は、リニアフレネル面の各構成面に係る角度（前記「θ」に相当する。）を示しており、被走査面１１に対して平行な平面に対して各構成面がなす角度である。
【００５６】
今、光源波長を「λ」として、単一波長の場合を想定する。
【００５７】
上記光線Ｌ１が入射面「Ｉ」に入ってから点Ｂ１を通過して、被走査面（２次元像面）１１に到達するまでの光路長を「ＯＰ１」とすると、「ＯＰ１＝Ｏｆ１＋Ｏａ１」である。
【００５８】
また、上記光線Ｌ２が入射面「Ｉ」に入ってから点Ｂ２を通過して、被走査面（２次元像面）１１に到達するまでの光路長を「ＯＰ２」とすると、「ＯＰ２＝Ｏｆ２＋Ｏａ２」である。
【００５９】
従って、両者の光路長差は、「ＯＰ２−ＯＰ１」であり、これがλの整数倍である場合に位相が合う（強め合う）ことになる。つまり、「ＯＰ２−ＯＰ１」を波長λで割った、位相差関数について、整数倍（整数値）又はほぼ整数倍を示すことが必要条件とされる。
【００６０】
前記した光源装置２ａ、２ｂ、２ｃを用いる形態では、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の波長について、それぞれに上記した条件を満たす必要があり、例えば、赤色波長を「λＲ」（＝６４２ｎｍ）、緑色波長を「λＧ」（＝５３２ｎｍ）、青色波長を「λＢ」（＝４５７ｎｍ）と記すとき、下式の条件が得られる。
【００６１】
【数３】

【００６２】
尚、ここで、「Ｐλｋ」（ｋはＲ，Ｇ，Ｂのいずれかを示す。）は、各波長の位相差関数を示し、ｎ１、ｎ２、ｎ３は整数である。また、ＯＰ１、ＯＰ２には、添え字Ｒ、Ｇ、Ｂを付すことにより、波長による違いを明示している。
【００６３】
つまり、各色のライン状ビームについては、リニアフレネル素子１０への入射位置からリニアフレネル面（の各構成面）を透過して被走査面１１に至るまでのそれぞれの各光路に係る光路長の差が、各波長の整数倍又はほぼ整数倍となるように、リニアフレネル面のサグ量が設定される。
【００６４】
図５は、ＲＧＢの３波長に関する光路長に関する説明図であり、リニアフレネル素子１０において、光軸（ｚ軸）の近辺領域（所謂ゼロゾーン）、中間領域、周辺域を、それぞれに透過する光線（入射位置の異なる３線）を概略的に示している。
【００６５】
「ＬＲ」、「ＬＧ」、「ＬＢ」は、上記近辺領域（近軸領域を含む。）における各波長の光路長を示しており、「ＬＲ」が赤色光に係る光路長、「ＬＧ」が緑色光に係る光路長、「ＬＢ」が青色光に係る光路長をそれぞれ示す。
【００６６】
「ＬＲ＋Ｒｎ１・λＲ」、「ＬＧ＋Ｇｎ２・λＧ」、「ＬＢ＋Ｂｎ３・λＢ」は、上記中間領域における各波長の光路長を示しており、「ＬＲ＋Ｒｎ１・λＲ」が赤色光に係る光路長、「ＬＧ＋Ｇｎ２・λＧ」が緑色光に係る光路長、「ＬＢ＋Ｂｎ３・λＢ」が青色光に係る光路長をそれぞれ示す。「Ｒｎ１・λＲ」、「Ｇｎ２・λＧ」、「Ｂｎ３・λＢ」は、「ＬＲ」、「ＬＧ」、「ＬＢ」との光路長差をそれぞれ表しており、「Ｒｎ１・λＲ」は波長λＲの整数倍の光路長、「Ｇｎ２・λＧ」は波長λＧの整数倍の光路長、「Ｂｎ３・λＢ」は波長λＢの整数倍の光路長であることを示す（つまり、色の違いを考えなければ、Ｒ、Ｇ、Ｂの記号を無視して、ｎ１、ｎ２、ｎ３をそれぞれ整数とみなせるので、各波長についてそれぞれに位相が合った状態であることが分かる。）。
【００６７】
また、「ＬＲ＋Ｒ（ｎ１＋ｍ１）・λＲ」、「ＬＧ＋Ｇ（ｎ２＋ｍ２）・λＧ」、「ＬＢ＋Ｂ（ｎ３＋ｍ３）・λＢ」は、上記周辺域における各波長の光路長を示しており、「ＬＲ＋Ｒ（ｎ１＋ｍ１）・λＲ」が赤色光に係る光路長、「ＬＧ＋Ｇ（ｎ２＋ｍ２）・λＧ」が緑色光に係る光路長、「ＬＢ＋Ｂ（ｎ３＋ｍ３）・λＢ」が青色光に係る光路長をそれぞれ示す。「Ｒ（ｎ１＋ｍ１）・λＲ」、「Ｇ（ｎ２＋ｍ２）・λＧ」、「Ｂ（ｎ３＋ｍ３）・λＢ」は、「ＬＲ」、「ＬＧ」、「ＬＢ」との光路長差をそれぞれ表しており、「Ｒ（ｎ１＋ｍ１）・λＲ」は波長λＲの整数倍の光路長、「Ｇ（ｎ２＋ｍ２）・λＧ」は波長λＧの整数倍の光路長、「Ｂ（ｎ３＋ｍ３）・λＢ」は波長λＢの整数倍の光路長であることを示す（つまり、色の違いを考えなければ、Ｒ、Ｇ、Ｂの記号を無視して、ｎ１＋ｍ１、ｎ２＋ｍ２、ｎ３＋ｍ３をそれぞれ整数とみなせるので、各波長についてそれぞれに位相が合った状態であることが分かる。）。
【００６８】
リニアフレネル面に係るサグ量（ΔＺ）及びリニアフレネル面の傾き角（θｓ）について、例示すると下表のようになる。
【００６９】
【表３】

【００７０】
尚、表中の「Ｎｏ」は、サグ量ΔＺ_ｎの添え字「ｎ」に相当するものであり、「Ｙ（ｍｍ）」（ｙ方向における位置座標を示す。）の原点位置から正方向に沿って１７段階に設定した例を示す。
【００７１】
リニアフレネル素子１０については、被走査面１１側にテレセントリックな条件となるように、リニアフレネル面の角度がそれぞれ設定されている。また、リニアフレネル素子のうち光偏向手段７側の第一面が平坦とされ、被走査面１１側の第二面に形成されるリニアフレネル面のサグ量又は角度については、光軸から光偏向手段７による光走査方向に沿って離れるに従って段階的に変化する。つまり、構成面１０ａのピッチが等間隔の場合には、光軸から離れた周辺域でのサグ量が大きくなり過ぎ、また、θｓが等角度の場合には像側テレセントリックな条件が得られないので、サグ量や角度についてそれぞれに変化をつける必要がある。
【００７２】
リニアフレネル素子１０の製作については、リニアフレネル面に係るサグ量ΔＺ_ｎの設計値に基いて行うが、加工方法等を考慮した場合に、上記「ＰλＲ」、「ＰλＧ」、「ＰλＢ」として適切な範囲を、２０以上１５０以下の整数値とすることが好ましい。即ち、下限値２０未満の場合には、製作時の加工寸法や精度が厳しくなり、高価な加工方法（例えば、光エッチング技術等）が用いる必要が生じたり、加工し難くなるといったことが問題となる。また、上限値１５０を超える場合には、リニアフレネル面に係るサグ量が大きくなり、リニアフレネル素子の材質についての環境変動量（温度変化に伴う変動量等）が大きくなるため、上記した位相整合が困難となる。
【００７３】
例えば、アクリル樹脂の場合、温度による線膨張係数は、６×１０^−５／゜Ｃであり、また、リニアフレネル面に係るサグ量（ΔＺ_ｎ）を、波長λＲ（＝６４２ｎｍ）の１５０倍よりも大きい値に設定するとき、サグ量は０．１ｍｍを超える。この時、一般的な使用環境での温度範囲（１０゜Ｃ〜４０゜Ｃ）において、材料の伸びは０．２μｍ程度であるため（λＢ＝４５７ｎｍでは、波長の約０．４４倍である。）、温度変化に伴う位相差が結像性能を劣化させる原因となる虞がある。
【００７４】
図６は、本発明に係る第２の実施例について、その要部（補正光学系８Ａ）だけを示したものであり（その他の部分の構成は前記第１の実施例と同様である。）、ｙｚ断面での構成を示す。
【００７５】
本例では４群５枚構成とされ、像面補正系９Ａが４枚のレンズ９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇで構成されており、９ｇの直後に、リニアフレネル素子１０Ａが配置されている。
【００７６】
各レンズは円筒面を有しており、ｙｚ面に平行な平面で切断した断面形状においてレンズ９ｄ、９ｅ、９ｆがメニスカス形状（のシリンドリカルレンズ）とされ、レンズ９ｇは凹平形状（のシリンドリカルレンズ）とされる。
【００７７】
具体的な諸元については、下表に示す通りである。
【００７８】
【表４】

【００７９】
尚、「Ｒｉｙ」欄に「※」印を付して示す、第１０面の基本面については、下式に示すように、非球面式で表される。
【００８０】
【数４】

【００８１】
上式中の非球面係数については、４次項（係数「ａ_４」）、６次項（係数「ａ_６」）、８次項（係数「ａ_８」）、１０次項（係数「ａ_１０」）の各係数を示している。
【００８２】
ｃ、ｋ、ａ_４、ａ_{６ 、}ａ_{８ 、}ａ_１０の各値は、下表に示す通りである。
【００８３】
【表５】

【００８４】
本実施例に示す、像面補正系９Ａにおいて、リニアフレネル素子１０Ａに近接したレンズ９ｇについては、像面湾曲を補正するために光路長を必要とし、負のレンズとされている（３次収差のペッツバール和を補正している。）。また、光偏向手段７側の３枚のレンズ（９ｄ、９ｅ、９ｆ）は、光偏向に伴うコマ収差を改善しつつ、さらにレンズ９ｇ及びリニアフレネル素子１０Ａへとビームを導いている（コマ収差がさらに低減される。）。
【００８５】
図７は、本発明に係る第３の実施例について、その要部（補正光学系８Ｂ）だけを示したものであり（その他の部分の構成は前記第１の実施例と同様である。）、ｙｚ断面での構成を示す。
【００８６】
本例では３群４枚構成とされ、像面補正系９Ｂが３枚のレンズ９ｈ、９ｉ、９ｊで構成されており、９ｊの直後に、リニアフレネル素子１０Ｂが配置されている。
【００８７】
各レンズは円筒面を有しており、ｙｚ面に平行な平面で切断した断面形状においてレンズ９ｈがメニスカス形状（のシリンドリカルレンズ）とされ、レンズ９ｉ、９ｊが凹平形状（のシリンドリカルレンズ）とされる。
【００８８】
具体的な諸元については、下表に示す通りである。
【００８９】
【表６】

【００９０】
尚、「Ｒｉｙ」欄に「※」印を付して示す、第８面の基本面については、前記［数１］式の非球面式で表される（４次項及び６次項を含む。）。
【００９１】
ｃ、ｋ、ａ_４及びａ_６の各値は、下表に示す通りである。
【００９２】
【表７】

【００９３】
尚、上記した各実施例のリニアフレネルレンズについては、像面補正系側の第一面が平面とされ、被走査面側の第２面が、像側テレセントリック補正及び各光源波長に関する位相整合を行うリニアフレネル面とされる。
【００９４】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１や請求項１４に係る発明によれば、ライン状ビームに対して、補正光学系により像面湾曲補正を行うとともに、リニアフレネル素子を用いることで構成が簡単化されるので、低コスト化が可能である。
【００９５】
請求項２に係る発明によれば、ライン状ビームに対して、それに直交する面（走査面）内にのみパワーをもつリニアフレネル素子を用いれば済み、また円筒面に関する像面湾曲補正が容易である（球面レンズでは余計なパワーが必要となる。）。
【００９６】
請求項３や請求項４に係る発明によれば、光波の位相合わせに係る不整合に起因する結像性能の劣化を防止することができる。
【００９７】
請求項５や請求項７に係る発明によれば、異なる波長のライン状ビームを用いる場合に、像面湾曲補正及び各波長の位相整合について簡易な構成で実現できるので、低コスト化に適している。
【００９８】
請求項６に係る発明によれば、波長毎に位相整合を得るためのサグ量を規定することで、結像性能を劣化させことなく、各波長の位相合わせが可能である。
【００９９】
請求項８乃至１０に係る発明によれば、リニアフレネル素子が製作し易く、また、環境変化による結像性能への影響を抑えることができる。
【０１００】
請求項１１に係る発明によれば、ライン状ビームに係るライン方向と、これに直交する方向（光走査方向）との間で瞳位置を合わせて、光線角度分布を揃えることができる。
【０１０１】
請求項１２に係る発明によれば、像側テレセントリックの補正と光波の位相整合を、第二面におけるリニアフレネル面のサグ量又は角度の設定により行うことができる。
【０１０２】
請求項１３に係る発明によれば、像面補正系に負のパワーをもたせることで、像面を平坦にする効果（フィールドフラットナーとしての効果）が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２次元画像表示装置の構成について一例を示す図である。
【図２】図３とともに本発明に係る第１の実施例を示すものであり、本図は要部の構成を示す図である。
【図３】要部についての概略的な説明図である。
【図４】リニアフレネル面の説明図である。
【図５】各色ビームの位相合わせについて説明するための図である。
【図６】本発明に係る第２の実施例について、要部を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施例について、要部を示す図である。
【符号の説明】
１…２次元画像表示装置、１ａ…光走査装置、２…光源、７…光偏向手段、
８、８Ａ、８Ｂ…補正光学系、９、９Ａ、９Ｂ…像面補正系、１０、１０Ａ、１０Ｂ…リニアフレネル素子、１１…被走査面

Claims (14)

1. コヒーレントなライン状ビームを発する光源と、
   前記光源から出射されたライン状ビームに対して光走査を行うための光偏向手段と、
   前記光偏向手段によって偏向されたライン状ビームを、リニアフレネル素子を介して被走査面上に導くとともに像面湾曲について補正するための補正光学系を備えている
   ことを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１に記載した光走査装置において、
   前記リニアフレネル素子については、前記光偏向手段による光の偏向方向を含む面内にのみパワーを有する
   ことを特徴とする光走査装置。
3. 請求項１に記載した光走査装置において、
   前記リニアフレネル素子については、当該素子への前記ライン状ビームの入射位置からリニアフレネル面を透過して前記被走査面に至るまでの各光路に係る光路長差が、前記ライン状ビームの波長の整数倍又はほぼ整数倍となるように、リニアフレネル面のサグ量が設定されている
   ことを特徴とする光走査装置
4. 請求項２に記載した光走査装置において、
   前記リニアフレネル素子については、当該素子への前記ライン状ビームの入射位置からリニアフレネル面を透過して前記被走査面に至るまでの各光路に係る光路長差が、前記ライン状ビームの波長の整数倍又はほぼ整数倍となるように、リニアフレネル面のサグ量が設定されている
   ことを特徴とする光走査装置。
5. 請求項１に記載した光走査装置において、
   前記ライン状ビームが、互いに異なる波長を有する複数のビームからなる
   ことを特徴とする光走査装置。
6. 請求項５に記載した光走査装置において、
   前記リニアフレネル素子については、前記した各ライン状ビームの当該素子への入射位置からリニアフレネル面を透過して前記被走査面に至るまでのそれぞれの各光路に係る光路長差が、前記した各ライン状ビームの波長毎にその整数倍又はほぼ整数倍となるように、リニアフレネル面のサグ量が設定されている
   ことを特徴とする光走査装置。
7. 請求項５に記載した光走査装置において、
   前記ライン状ビームが、３原色の各ビームからなる
   ことを特徴とする光走査装置。
8. 請求項３に記載した光走査装置において、
   前記光路長差が、前記ライン状ビームの波長に対して、２０以上１５０以下の整数倍に規定されている
   ことを特徴とする光走査装置。
9. 請求項４に記載した光走査装置において、
   前記光路長差が、前記ライン状ビームの波長に対して、２０以上１５０以下の整数倍に規定されている
   ことを特徴とする光走査装置。
10. 請求項６に記載した光走査装置において、
    前記光路長差が、前記ライン状ビームの各波長に対して、２０以上１５０以下の整数倍に規定されている
    ことを特徴とする光走査装置。
11. 請求項２に記載した光走査装置において、
    前記リニアフレネル素子については、前記被走査面の側にテレセントリックな条件となるように、リニアフレネル面の角度が設定されている
    ことを特徴とする光走査装置。
12. 請求項１１に記載した光走査装置において、
    前記リニアフレネル素子のうち前記光偏向手段側の第一面が平坦とされること及び当該リニアフレネル素子のうち前記被走査面側の第二面に形成されるリニアフレネル面のサグ量又は角度については、光軸から前記光偏向手段による光走査方向に沿って離れるに従って段階的に変化する
    ことを特徴とする光走査装置。
13. 請求項１に記載した光走査装置において、
    前記補正光学系が、正のパワーを有するリニアフレネル素子及び当該素子に近接して負のパワーを有する像面補正系を備えている
    ことを特徴とする光走査装置。
14. コヒーレントなライン状ビームを発する光源と、
    前記光源から出射されたライン状ビームに対して光走査を行うための光偏向手段と、
    前記光偏向手段によって偏向されたライン状ビームを、リニアフレネル素子を介して被走査面上に導くとともに像面湾曲について補正するための補正光学系を備え、
    前記被走査面上の中間像を投影して画像を表示する
    ことを特徴とする２次元画像表示装置。

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