JP2012145765A - プロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】像面湾曲の発生を抑制する。
【解決手段】プロジェクター１Ａは、画像情報に応じた光を射出する複数の固体光源が１次元的に配列された光源アレイ２と、光源アレイ２の各固体光源から射出された光Ｌ１を平行化するコリメーターレンズ３と、コリメーターレンズ３を経由した光Ｌ１が入射する位置に配置され、前側焦点がコリメーターレンズの近傍に設定された第１のリレーレンズ９と、第１のリレーレンズ９の後側焦点の近傍に配置され、第１のリレーレンズ９を経由した光Ｌ１を１次元的に走査する走査部５と、走査部５を経由した光Ｌ１の像を形成する第２のリレーレンズ１０と、第２のリレーレンズ１０により形成された像を投写する投写光学系７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクターに関する。

２次元画像を表示することが可能なプロジェクターの１つとして、下記の特許文献１に開示されているプロジェクターが挙げられる。このプロジェクターは、画像情報に応じて点灯する複数の固体光源を有する光源アレイと、光源アレイから射出される光をリレーするリレー光学系と、光源アレイから射出された光を投写面（表示面）において２次元画像を形成するように走査する走査部と、走査部により走査された光を投写する投写光学系とを備える。

特開２００３−２１８０４号公報

上記の走査により２次元画像を表示するプロジェクターは、走査により像面湾曲が発生するので、投写された２次元画像の全域でピントが合うようにすることが困難である。例えば、像面湾曲を補正するように投写光学系を構成すると、投写光学系の構成が複雑になることや汎用の投写光学系が使用できなくなることがある。

本発明は、以上のような事情に鑑みなされたもので、像面湾曲によるピンボケを抑制可能であり、しかもシンプルな構成にすることが可能なプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の一形態のプロジェクターは、画像情報に応じた光を射出する複数の固体光源が１次元的に配列された光源アレイと、前記光源アレイの各固体光源から射出された前記光を平行化するコリメーターレンズと、前記コリメーターレンズを経由した前記光が入射する位置に配置され、前側焦点が前記コリメーターレンズの近傍に設定された第１のリレーレンズと、前記第１のリレーレンズの後側焦点の近傍に配置され、前記第１のリレーレンズを経由した前記光を１次元的に走査する走査部と、前記走査部を経由した前記コリメーターレンズの像を形成する第２のリレーレンズと、前記第２のリレーレンズにより形成された像を投写する投写光学系と、を備える。

上記のプロジェクターにおいて、コリメーターレンズの各点から射出された光は、第１のリレーレンズと第２のリレーレンズとの間でほぼ平行光となる。したがって、各固体光源から射出された光は、第２のリレーレンズの光軸に直交する平面上に像を結ぶことになり、走査部を経由した光の第２のリレーレンズによる像面がほぼ平面になる。したがって、像面湾曲の発生が抑制され、表示された２次元画像にピンボケや歪が生じることが抑制される。このように、上記のプロジェクターによれば、シャープな２次元画像を表示することができる。

前記走査部は、複数のミラーを有するとともに前記複数のミラーのいずれかで前記第１のリレーレンズを経由した前記光が反射するポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーで反射した前記光が前記第２のリレーレンズの像面で２次元的に像を形成するように前記ポリゴンミラーを回転駆動する駆動部と、を有してもよい。
このようにすれば、ガルバノミラーを用いる走査部よりもプロジェクターの装置コストを下げることができる。

前記走査部は、前記第１のリレーレンズを経由した前記光が反射するミラーと、前記ミラーで反射した前記光が前記第２のリレーレンズの像面で２次元的に像を形成するように前記ミラーを所定の軸周りの正転方向及び逆転方向に回動駆動する駆動部と、を有するガルバノミラーでもよい。
一般に、ガルバノミラーにおいてミラーの角度や角速度を制御することができるので、走査部を経由した光の進行方向を制御することができる。

前記走査部のミラーを経由した前記光の前記第２のリレーレンズの像面での走査速度が一定となるように、前記ミラーの角速度が制御されてもよい。
このようにすれば、表示される２次元画像において、走査方向の画素の幅を走査方向に並ぶ複数の画素で揃えることができる。

前記第２のリレーレンズがｆθレンズでもよい。
このようにすれば、走査部のミラーを一定の角速度で回動又は回転させることにより、走査部のミラーを経由した光の前記第２のリレーレンズの像面での走査速度が一定となるので、走査部の構成や制御方法をシンプルにすることができる。

前記第１のリレーレンズと前記第２のリレーレンズとで光学特性が同じでもよい。
このようにすれば、第１のリレーレンズと第２のリレーレンズとにより構成されるリレー光学系での歪曲収差がほぼ発生しなくなる。

前記第２のリレーレンズの前側焦点は、前記第１のリレーレンズの後側焦点の近傍に設定されてもよい。
このようにすれば、第１のリレーレンズから入射する光が第２のリレーレンズから射出される側がテレセントリック光学系となり、汎用の投写光学系により第２のリレーレンズにより形成された像を投写することができる。

前記固体光源がレーザー光源であって、前記走査部のミラーを経由した前記光の前記第２のリレーレンズの像面の近傍に配置され、前記第２のリレーレンズと前記投写光学系の間の光路に交差する方向に移動する拡散部材を備えてもよい。
このようにすれば、レーザー光の可干渉性に起因するスペックルノイズが観察されることを抑制することができる。

前記複数の固体光源から前記コリメーターレンズに入射するときの前記光の拡散角は、前記複数の固体光源の配列方向と平行な方向の拡散角が、前記光の進行方向に直交しかつ前記平行な方向に直交する方向の拡散角よりも小さくてもよい。
このようにすれば、固体光源から射出された光が、他の固体光源から射出される光により表示される画素に入射しにくくなり、各画素の階調値を高精度に制御することができる。

第１実施形態のプロジェクターの構成を示す斜視図である。 第１実施形態のプロジェクター内の光路を示す説明図である。 第１実施形態の光源アレイ及びコリメーターレンズを示す斜視図である。 第１変形例のコリメーターレンズを示す斜視図である。 第２変形例の第２のリレーレンズへの光の入射方向と像高を示す図である。 第２変形例の第２のリレーレンズにより形成される中間像を示す図である。 第２変形例のポリゴンミラーの角速度の変化を示すグラフである。 第３変形例の第２のリレーレンズへの光の入射方向と像高を示す図である。 第２実施形態のプロジェクターの構成を示す上面図である。 第２実施形態のプロジェクターの構成を示す側面図である。 第３実施形態のプロジェクターの構成を示す上面図である。 第３実施形態のプロジェクターの構成を示す側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、構造の寸法や縮尺が実際と異なることがある。

［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態のプロジェクターの構成を示す斜視図である。図２は、プロジェクター内のシステム光軸が直線になるようにプロジェクター内の光路を展開して示す説明図である。図４は、光源アレイ及びコリメーターレンズを示す斜視図である。

図１に示すプロジェクター１Ａは、走査型のプロジェクターである。プロジェクター１Ａは、一方向に並ぶ複数の画素で構成される画素列Ｐ１を、スクリーン等の投写面ＳＣ上に表示しつつ走査方向に走査することができる。走査方向は、投写面ＳＣ上の各画素列Ｐ１にて複数の画素が並ぶ方向と交差する方向に設定されている。プロジェクター１Ａは、各フレーム期間内に、走査方向の各位置に対応する画素列Ｐ１を時間順次で表示することによって、２次元画像Ｐを表示することができる。本実施形態の２次元画像Ｐは長方形であって、画素列Ｐ１は、２次元画像Ｐの短辺に平行であり、２次元画像Ｐの長辺に平行な方向に走査される。

プロジェクター１Ａは、光源アレイ２、コリメーターレンズ３、リレー光学系４、走査部５、拡散部材６、投写光学系７、及び制御部８を備える。リレー光学系４は、第１のリレーレンズ９及び第２のリレーレンズ１０を有する。光源アレイ２（図２及び図３参照）は、複数の固体光源２１を有している。図１中の符号Ｌ２は、固体光源２１ごとに射出される光線を示し、符号Ｌ１は複数の固体光源２１から射出される複数の光線、すなわち光源アレイ２から射出される光線束の全体を示す。ここでは、光源アレイ２から投写光学系７までの光路に配置される各部の光軸を連結した光軸をシステム光軸ＡＸと称す。

光源アレイ２は、画素列Ｐ１を示す光Ｌ１を射出する。光Ｌ１は、プロジェクター１Ａ内のシステム光軸ＡＸに沿って進行する。すなわち、光源アレイ２から射出された光Ｌ１は、コリメーターレンズ３を経由した後に、第１のリレーレンズ９に入射する。第１のリレーレンズ９から射出された光Ｌ１は、走査部５を経由した後に、第２のリレーレンズ１０に入射する。第２のリレーレンズから射出された光Ｌ１は、拡散部材６を経由した後に、投写光学系７によって投写される。

次に、プロジェクター１Ａの各構成要素について、詳しく説明する。
図３に示す光源アレイ２は、基板２０と、基板２０に第１方向（Ｚ方向）に１次元的に配列された複数の固体光源２１とを有する。各固体光源２１は、走査方向に時間順次で表示される複数の画素で構成される走査線と、１対１で対応している。各固体光源２１は、階調データに応じて明るさが時間変化する光線Ｌ２を射出する。複数の固体光源２１から射出された複数の光線Ｌ２は、全体として、画素列Ｐ１を表示する光Ｌ１を構成する。

なお、実際の光源アレイ２は多数の固体光源２１を有しているが、図２には３つの固体光源２１を代表的に示している。例えば、画素が水平方向に１９２０個並び垂直方向に１０８０個並ぶＨＤ形式の２次元画像を表示可能なプロジェクターにおいて、光源アレイ２は、少なくとも１０８０個の固体光源が配列されたものが選択される。

複数の固体光源２１は、それぞれ、図示略の配線を介して制御部８と電気的に接続されている。本実施形態の固体光源２１は、光線Ｌ２としてレーザー光を射出することが可能なレーザーダイオード（ＬＤ）で構成されている。固体光源２１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やスーパーレーザーダイオード（ＳＬＤ）等の発光素子で構成されていてもよい。制御部８は、画像情報に基づいて、各画素の階調値と表示タイミングに応じて値が変化する電流を、当該画素の表示を行う固体光源２１に供給する。各固体光源２１から射出される光線Ｌ２の明るさは、制御部８から供給される電流値に応じて変化する。

ところで、レーザーダイオード等の固体光源は、光軸周りの拡散角が異方性を有している場合がある。本実施形態の各固体光源２１は、その光軸（Ｘ方向）に直交する面（ＹＺ面）内で、射出する光線の固体光源２１の配列方向（Ｚ方向）の拡散角αが、この光線の配列方向に直交する方向（Ｙ方向）の拡散角βよりも小さくなるように、配列されている。

コリメーターレンズ３は、各固体光源２１から射出された各光線Ｌ２をそれぞれ平行化する。本実施形態のコリメーターレンズ３は、コリメーターレンズ３に入射するときの光Ｌ１において複数の光線Ｌ２が並ぶ方向と平行に配列された複数のマイクロレンズ２２を有する。コリメーターレンズ３は、光源アレイ２との相対位置が図示略の固定部材等で固定されており、固体光源２１の配列方向とマイクロレンズ２２の配列方向とが互いにほぼ平行である。マイクロレンズ２２は、固体光源２１と１対１の対応で設けられている。

各マイクロレンズ２２は、その光軸と直交する面（ＹＺ面）内で互いに直交する２方向（Ｙ方向及びＺ方向）に正のパワーを有している。各マイクロレンズ２２は、対応する固体光源２１から射出された光線Ｌ２を平行化する。本実施形態の各マイクロレンズ２２は、その光軸に直交する面（ＹＺ面）での平面形状がほぼ矩形（ここでは、ほぼ正方形）になっている。

各マイクロレンズ２２には、各固体光源２１から射出された光線Ｌ２によって、２次光源が形成される。この２次光源は、２次元画像Ｐを構成する各画素に相当する。各２次光源のスポット形状すなわち各画素の形状は、上記したマイクロレンズ２２の平面形状（ほぼ矩形）に成形される。

図１及び図２に示すリレー光学系４は、光源アレイ２における光Ｌ１（１次光源）の像に対してアフォーカル系であり、コリメーターレンズ３における光Ｌ１（２次光源）の像に対してタンデム系である。図２において、符号ｆ１は第１のリレーレンズ９の焦点距離を示し、符号ｆ２は第２のリレーレンズ１０の焦点距離を示す。

なお、図２には、複数の固体光源２１のそれぞれから射出される光線について、配列の一端に配置された１つの固体光源２１から射出される１つの光線Ｌ２を代表的に示している。また、複数のマイクロレンズ２２のそれぞれから射出される光線について、システム光軸ＡＸ上に配置された１つのマイクロレンズ２２の１点から射出される光線と、配列の他端に配置された１つのマイクロレンズ２２の１点から射出される光線とを代表的に示している。

第１のリレーレンズ９の前側焦点は、固体光源２１から射出される光Ｌ１がコリメーターレンズ３に入射する光入射面又はコリメーターレンズ３から射出される光射出面の近傍に設定されている。走査部５は、第１のリレーレンズ９の後側焦点の近傍に配置されている。走査部５において光Ｌ１が入射する面は、光源アレイ２から光Ｌ１が射出される面と共役である。コリメーターレンズ３から射出された光Ｌ１は、第１のリレーレンズ９によって集光し、走査部５に１次光源の像Ｐ２を形成する。

本実施形態の走査部５は、ポリゴンミラー２３及び駆動部２４を有する。走査部５は、第１のリレーレンズ９を経由した光Ｌ１を１次元的に走査する。すなわち、走査部５は、第１のリレーレンズ９により集光された光Ｌ１の進行方向を、光Ｌ１において光線Ｌ２が並ぶ方向と交差する方向に時間的に変化させる。

ポリゴンミラー２３は、所定の軸２５周りに回転可能に設けられている。所定の軸２５は、ポリゴンミラー２３に入射するときの光Ｌ１において光線Ｌ２が並ぶ方向にほぼ平行である。ポリゴンミラー２３は、軸２５に直交する断面形状が、ほぼ正多角形（ここでは、ほぼ正８角形）である。ポリゴンミラー２３は、上記の正多角形の各辺に対応して軸２５の周方向に連なる複数のミラー（鏡面）２６を有する。ポリゴンミラー２３は、第１のリレーレンズ９を経由した光Ｌ１が複数のミラー２６のいずれかに入射するように、配置されている。

駆動部２４は、サーボモーター等のアクチュエーターを含む。駆動部２４は、ポリゴンミラー２３を軸２５の周方向にて正転又は逆転の一方に回転駆動することができる。ポリゴンミラー２３が回転しているときにポリゴンミラー２３の１つのミラー２６に光Ｌ１が入射する期間は、１フレームの表示期間に対応している。１フレームの表示期間において、駆動部２４がポリゴンミラー２３を回転させると、ミラー２６に対する光Ｌ１の入射角が変化し、ミラー２６で反射した光Ｌ１の進行方向が変化する。さらに駆動部２４がポリゴンミラー２３を回転させると、光Ｌ１がポリゴンミラー２３の回転方向の次のミラー２６に入射するようになり、次のフレームの２次元画像の表示が開始される。

駆動部２４は、制御部８と電気的に接続されており、制御部８に制御される。制御部８は、各フレーム期間内の各タイミングに光源アレイ２から射出された光Ｌ１が対応する画素列Ｐ１の表示位置に向かうように、駆動部２４によるポリゴンミラー２３の回転角を、光源アレイ２と同期させて制御する。これにより、投写面ＳＣ上の画素列Ｐ１は、各画素の明るさが画像情報に応じて変化しながら走査方向に移動する。

第２のリレーレンズ１０は、走査部５で反射した光Ｌ１が入射する位置に配置されている。第２のリレーレンズは、走査部５を経由した光Ｌ１を結像させ、２次光源の像Ｐ３すなわちコリメーターレンズ３での光Ｌ１の像を形成する。

本実施形態において、第２のリレーレンズ１０は、その前側焦点が第１のリレーレンズ９の後側焦点の近傍、すなわち走査部５における光Ｌ１の入射位置の近傍になるように、焦点距離及び位置が設定されている。このようにすれば、第１のリレーレンズから入射する光が第２のリレーレンズから射出される側がテレセントリック光学系となり、汎用の投写光学系により第２のリレーレンズにより形成された像を投写することができる。

本実施形態の第２のリレーレンズ１０は、第１のリレーレンズ９と光学特性が同じである。すなわち、第１のリレーレンズ９と第２のリレーレンズ１０は、屈折率、形状（曲率半径）、及び開口（大きさ）がほぼ同一である。このようにすれば、リレー光学系４での歪曲収差がほぼ発生しなくなる。

拡散部材６は、２次光源の像Ｐ３が第２のリレーレンズ１０により形成される位置に、配置されている。拡散部材６は、システム光軸ＡＸ（第２のリレーレンズ１０の光軸）に直交する面内で駆動部２７により回転可能なように、設けられている。

拡散部材６は、第２のリレーレンズ１０から拡散部材６上の各点に入射するときの光Ｌ１の拡散角よりも拡散部材６上の各点から射出されるときの光Ｌ１の拡散角を大きくする。拡散部材６は、スリ硝子や拡散フィルム等の拡散板、ホログラフィックディフューザー等の回折光学素子、マイクロレンズアレイ等のレンズ部品等によって構成される。

拡散部材６は、第２のリレーレンズ１０から光Ｌ１が入射する面２８がほぼ平面である。第２のリレーレンズ１０から射出された光Ｌ１が面２８を走査することによって、２次元画像Ｐの走査方向の各位置における画素列Ｐ１を示す像Ｐ３が時間順次で面２８上に形成され、１フレームの期間内に面２８上に二次元的な中間像Ｐ４が形成される。

投写光学系７は、第２のリレーレンズ１０により拡散部材６に形成された中間像Ｐ４を投写することができる。投写光学系７の前側焦点は、第２のリレーレンズ１０の後側焦点の近傍、すなわち拡散部材６において光Ｌ１が射出される面の近傍に設定されている。投写光学系７の像面は、コリメーターレンズ３の配置面及び拡散部材６の配置面と共役である。投写光学系７は、通常の投写レンズ等により構成され、必要に応じてズーム機構やフォーカス機構を有するものが用いられる。拡散部材６に形成された中間像Ｐ４の各点から射出された光は、投写光学系７により投写面ＳＣ上に像を結ぶ。

制御部８は、２次元画像Ｐを示す画像情報をＤＶＤプレイヤーやＰＣ等の外部装置から受信する。画像情報は、２次元画像Ｐの各画素の階調値を示す階調データ、及びリフレッシュレート等の表示条件を示す表示条件データを含んでいる。制御部８は、画像情報が示す２次元画像Ｐの各画素の階調値及び表示タイミングに基づいて、光源アレイ２の各固体光源２１に供給する電流波形（電気信号）を生成する。また、制御部８は、光源アレイ２から各タイミングで射出された光Ｌ１により表示される画素列Ｐ１が、画像情報に規定された２次元画像Ｐ内の所定の位置と対応するように、走査部５の駆動部２４を制御する電気信号を生成する。

以上のような構成のプロジェクター１Ａにより投写された画素列Ｐ１は、投写面ＳＣ上を高速で走査し、観察者に時間積分されて２次元画像Ｐとして観察される。プロジェクター１Ａにおいて、コリメーターレンズ３の各マイクロレンズ２２の各点から射出された光は、第１のリレーレンズ９と第２のリレーレンズ１０との間でほぼ平行光となる。したがって、複数のマイクロレンズ２２から射出された複数の光線Ｌ２がそれぞれ像を結ぶ位置は、第２のリレーレンズ１０の光軸に直交する平面（面２８）上を移動することになる。換言すると、走査部５を経由した光Ｌ１の第２のリレーレンズ１０による像面（面２８）はほぼ平面になり、像面湾曲の発生が抑制される。このように、プロジェクター１Ａによれば、投写面ＳＣ上に表示された２次元画像Ｐにピンボケや歪が生じることが抑制され、シャープな２次元画像Ｐを表示することができる。

また、本実施形態において、コリメーターレンズ３の各マイクロレンズ２２に入射するときの光線Ｌ２は、固体光源２１の配列方向の拡散角が配列方向に直交する方向の拡散角よりも小さい。したがって、各固体光源２１からの光線Ｌ２が当該固体光源２１と対応しないマイクロレンズ２２に入射することが抑制され、各画素の階調値を高精度に制御することができる。

また、ポリゴンミラー２３のミラー２６が第１のリレーレンズ９の後側焦点の近傍に配置されているので、第１のリレーレンズ９から射出された複数の光線Ｌ２の全体としてのスポットサイズが、ミラー２６上でほぼ最小になる。したがって、複数の光線Ｌ２の全体を受ける上で必要なミラー２６のサイズがほぼ最小になり、ポリゴンミラー２３を小型にすることができるので、プロジェクター１Ａを小型にすることができる。また、ポリゴンミラー２３を駆動する上で必要な駆動部２４の用力を減らすことが可能になるので、駆動部２４を小型にすることによってプロジェクター１Ａを小型にすることや、プロジェクター１Ａの消費電力を減らすこと等ができる。また、走査部がガルバノミラーで構成されている場合と比較して、ポリゴンミラー２３を正転又は逆転の一方に回転させれば２次元画像を表示することができるので、駆動部２４の構成をシンプルにすることもできる。

本実施形態のプロジェクター１Ａは、固体光源２１がレーザーダイオードにより構成されているので、明るい２次元画像Ｐを表示することができる。レーザー光は、可干渉性（コヒーレンス）が高い光であるので、レーザー光により表示された２次元画像にスペックルノイズが観察されることがありえる。プロジェクター１Ａにおいて、走査部５のミラー２６を経由した光Ｌ１は、光Ｌ１の第２のリレーレンズ１０の像面と平行な方向に移動する拡散部材６により拡散する。したがって、拡散部材６から射出された光Ｌ１は、広角成分が増加した分だけ投写光学系７の結像面での高周波ノイズが増加する。この高周波ノイズが結像面でスペックルノイズと重畳されるので、スペックルノイズが観察されにくくなる。

次に、第１実施形態に係る変形例を説明する。
図４は、第１変形例におけるコリメーターレンズを示す斜視図である。図４に示すコリメーターレンズ３Ｂは、母線が固体光源２１の配列方向と平行な方向に延びるシリンドリカルレンズによって構成されている。コリメーターレンズ３Ｂに入射した光線Ｌ２は、固体光源２１の光軸に直交する面（ＹＺ面）内で固体光源２１の配列方向（Ｚ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に屈折し、固体光源２１の配列方向にほぼ屈折しない。コリメーターレンズ３Ｂは、光線Ｌ２のうちで、固体光源２１の光軸に直交する面（ＹＺ面）内で固体光源２１の配列方向と直交する方向に拡散する成分を平行化するとともに固体光源２１の配列方向に拡散する成分をほとんど平行化しない。一般的に、シリンドリカルレンズは、マイクロレンズアレイよりも形成に微細な加工が不要であるので、コリメーターレンズ３Ｂに採用することで装置コストを下げることができる。

図５及び図６は、第２変形例における制御部の制御方法を説明するための図である。詳しくは、図５は、第２のリレーレンズに対する光の入射方向と像高との関係を示す説明図である。図６は、第２のリレーレンズにより形成される中間像を示す概念図である。

図５に示すように、走査部５のミラー２６から第２のリレーレンズ１０へ入射する光Ｌ１に関して、光Ｌ１の進行方向が第２のリレーレンズ１０の光軸となす角度をθ［ｒａｄ］とする。この光Ｌ１が像を結ぶ位置から第２のリレーレンズ１０の光軸までの距離（像高ｈ１［ｍｍ］）は、第２のリレーレンズ１０の焦点距離ｆ２［ｍｍ］を用いて、下記の式（１）で表される。
ｈ１＝ｆ２・ｔａｎθ ・・・（１）

ここで、１画素を表示するときに光源アレイ２の各固体光源２１が点灯する時間が、走査方向に並ぶ複数の画素でほぼ同じであるとする。この場合には、図６に示す中間像Ｐ４の１画素の走査方向の幅Δｈは、像高ｈ１の単位時間あたりの変化量に相当する。なお、図６中の符号Ｐｍは、走査方向の中心の画素列を示す。１画素の表示期間は、微小時間であるので、角度θと中間像Ｐ４の１画素の走査方向の幅Δｈとの関係は、上記の式（１）の両辺を時間微分した結果から、下記の式（２）で近似できる。
Δｈ＝ｄｈ１／ｄｔ＝ｆ２／ｃｏｓ^２θ・ｄθ／ｄｔ ・・・（２）

ポリゴンミラー２３の角速度ω（＝ｄθ／ｄｔ）が一定であると、式（２）から分かるように、角度θが０［ｒａｄ］から離れるにつれて、Δｈが大きくなる。すなわち、走査方向において２次元画像Ｐの中心から離れるにつれて、１画素の走査方向の幅が大きくなる。

図７は、各フレーム期間におけるポリゴンミラーの角速度の変化を示すグラフである。図７のグラフの横軸は、単位を［ｒａｄ］から［°］へ変換した角度θを示す。図７のグラフの縦軸は、θ＝０［°］であるときのポリゴンミラー２３の角速度をω_０に対する、角度θにおけるポリゴンミラー２３の角速度ωの比率（角速度比）を示す。

図７に示すように、本例の制御部８は、走査範囲（走査線の長さ）に対応する角度θの範囲（画角）内で、ポリゴンミラー２３の角速度ｄθ／ｄｔが下記の式（３）を満たすように、走査部５の駆動部２４を制御する。これにより、ミラー２６を経由した光Ｌ１の第２のリレーレンズ１０の像面での走査速度（ｄｈ１／ｄｔ）が一定となり、１画素の走査方向の幅Δｈが走査方向に並ぶ複数の画素でほぼ同じになる。
ω＝ｄθ／ｄｔ＝ω_０／ｃｏｓ^２θ ・・・（３）

なお、本例では、制御部８がポリゴンミラー２３の角速度を制御して、走査方向の画素の幅を揃えているが、制御部８が１画素に相当する光源アレイ２の各固体光源２１の点灯時間を制御することによって、走査方向の画素の幅を揃えることもできる。例えば、制御部８は、ポリゴンミラー２３が一定の角速度で回転するように駆動部２４を制御し、ポリゴンミラー２３の回転角が角度θ［°］であるときの１画素あたりの各固体光源２１の点灯時間Ｔが下記の式（４）を満たすように、光源アレイ２を制御してもよい。下記の式（４）において、下記の式（４）において、Ｔ_０は、θ＝０［°］であるときの１画素あたりの点灯時間である。なお、同じ明るさの画素が点灯時間の違いによって異なる明るさで観察されないように、駆動部２４が各固体光源２１の出力を点灯時間に応じて制御してもよい。
Ｔ＝Ｔ_０・ｃｏｓ^２θ ・・・（４）

図８は、第３変形例において、第２のリレーレンズに対する光の入射方向と像高との関係を示す説明図である。図８に示す第２のリレーレンズ１０Ｂは、ｆθレンズにより構成されている。また、制御部８は、ポリゴンミラー２３が一定の角速度で回転するように、駆動部２４を制御する。

本例において、光Ｌ１のｆθレンズによる像高ｈ２は下記の式（５）で表され、中間像の１画素の走査方向の幅Δｈは下記の式（６）で表される。本例において、ポリゴンミラー２３の角速度（ｄθ／ｄｔ）が一定であるので、式（６）から分かるように、ミラー２６を経由した光Ｌ１の第２のリレーレンズ１０Ｂの像面での走査速度（ｄｈ２／ｄｔ）が角度θに依らずに一定となる。すなわち、１画素の走査方向の幅Δｈは、走査方向に並ぶ複数の画素でほぼ同じになる。
ｈ２＝ｆ・θ ・・・（５）
Δｈ＝ｄｈ２／ｄｔ＝ｆ・ｄθ／ｄｔ ・・・（６）

本例のプロジェクターは、ポリゴンミラー２３の角速度や１画素あたりの各固体光源２１の点灯時間を各フレーム期間内で変化させなくとも１画素の走査方向の幅を揃えることができる。したがって、走査部５の構成や制御方法、あるいは光源アレイ２の制御方法をシンプルにすることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。第２実施形態において、上記の実施形態や変形例と同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略することがある。図９は、第２実施形態のプロジェクターの構成を示す上面図である。図１０は、第２実施形態のプロジェクターの構成を示す側面図である。

図９及び図１０に示すプロジェクター１Ｂは、フルカラーの２次元画像を表示することができる。プロジェクター１Ｂは、第１実施形態のプロジェクター１Ａの光源アレイ２の代わりに、複数の光源アレイ３０〜３２と、複数のコリメーターレンズ３３〜３５と、色合成素子３６と、を備える。

複数の光源アレイ３０〜３２は、それぞれ、固体光源が１次元的に配列された構造であり、射出する光の波長が互いに異なっている。本実施形態において、光源アレイ３０の各固体光源３７が青に対応する波長の光Ｌ３を射出するとともに、光源アレイ３１の各固体光源３８は緑に対応する波長の光Ｌ４を射出し、光源アレイ３２の各固体光源３９は赤に対応する波長の光Ｌ５を射出する。

複数の光源アレイ３０〜３２は、それぞれ、制御部８に制御される。制御部８は、プロジェクター１Ｂの外部からフルカラーの２次元画像を示す画像情報を受信することができる。制御部８は、上記の画像情報に基づいて、赤色の画素列を示す光を射出するように光源アレイ３０の各固体光源を制御するとともに、緑色の画素列を示す光を射出するように光源アレイ３１の各固体光源を制御し、緑色の画素列を示す光を射出するように光源アレイ３２の各固体光源を制御する。制御部８は、複数の光源アレイ３０〜３２から射出された光Ｌ３〜Ｌ５が互いに重ね合わされてフルカラーの２次元画像を構成する画素列になるように、複数の光源アレイ３０〜３２を同期して制御する。

複数のコリメーターレンズ３３〜３５のそれぞれは、各光源アレイと１対１の対応で設けられており、対応する光源アレイの各固体光源から射出された光線を平行化する。本実施形態において、コリメーターレンズ３３は光源アレイ３０と対応しており、コリメーターレンズ３４は光源アレイ３１と、コリメーターレンズ３５は光源アレイ３２とそれぞれ対応している。複数のコリメーターレンズ３３〜３５は、互いに共役な位置関係になっており、それぞれ、第１のリレーレンズ９の前側焦点の近傍に配置されている。

色合成素子３６は、ダイクロイックミラー等により構成され、複数のコリメーターレンズ３３〜３５から射出された光Ｌ３〜Ｌ５を合成する。色合成素子３６は、青色の光Ｌ３が反射して緑色の光Ｌ４及び赤色の光Ｌ５が通過する特性の波長選択面と、赤色の光Ｌ５が反射して青色の光Ｌ３及び緑色の光Ｌ４が通過する特性の波長選択面とが互いに交差するように設けられた構造である。色合成素子３６に入射した光Ｌ３〜Ｌ５は、互いに重ね合わされて合成光Ｌ６となる。合成光Ｌ６は、フルカラーの２次元画像を構成する画素列を示す光である。

合成光Ｌ６は、色合成素子３６から射出されて第１のリレーレンズ９に入射する。第１のリレーレンズ９から射出された合成光Ｌ６は、第１実施形態と同様に、走査部５により走査された後に第２のリレーレンズ１０に入射し、第２のリレーレンズ１０から射出された後に拡散部材６を経由して投写光学系７により投写される。

以上のような構成のプロジェクター１Ｂは、第１実施形態で説明した理由により、フルカラーの２次元画像を構成する赤色の画像と緑色の画像と青色の画像のそれぞれの像面湾曲を抑制することができる。したがって、各色の画像にピンボケや歪が生じることが抑制され、シャープなフルカラーの２次元画像を表示することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。第３実施形態において、上記の実施形態や変形例と同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略することがある。図１１は、第３実施形態のプロジェクターの構成を示す上面図である。図１２は、第３実施形態のプロジェクターの構成を示す側面図である。

図１１及び図１２に示すプロジェクター１Ｃは、第２実施形態のプロジェクター１Ｂの走査部５の代わりに、ガルバノミラーにより構成された走査部５Ｃを備える。走査部５Ｃは、ミラー４０及び駆動部４１を有する。

ミラー４０は、第１のリレーレンズ９を経由した合成光Ｌ６が入射する位置に、所定の軸４２周りに回動可能なように配置されている。駆動部４１は、ミラー４０で反射した合成光Ｌ６が第２のリレーレンズ１０の像面で２次元的に像を形成するように、ミラー４０を軸４２周りの正転方向及び逆転方向に回動駆動することができる。本実施形態において、軸４２は、合成光Ｌ６において各色の固体光源から射出された複数の光線が並ぶ方向、すなわち各光源アレイにおける複数の固体光源の配列方向とほぼ平行である。駆動部４１は、制御部８と電気的に接続されており、制御部８に制御される。

２次元画像における走査方向の一端の画素列は、ミラー４０が第１の角度位置に配置されているときにミラー４０に入射した合成光Ｌ６により、表示される。表示される画素列は、ミラー４０が第１の角度位置から正転方向に回動するに従って、走査方向に移動する。２次元画像における走査方向の他端の画素列は、ミラー４０が第２の角度位置に配置されているときにミラー４０に入射した合成光Ｌ６により、表示される。

本実施形態において、各フレーム期間は、２次元画像の表示期間と非表示期間とを含んでいる。本実施形態の制御部８は、各フレーム期間の表示期間内に２次元画像を表示すべく、ミラー４０が第１の角度位置から第２の角度位置まで回動するように駆動部４１を制御し、かつ複数の光源アレイ３０〜３２を駆動部４１と同期して制御する。これにより、上記のように画素列が時間順次で表示されて、２次元画像が表示される。

本実施形態の制御部８は、上記の第２変形例で説明したのと同様に、表示期間におけるミラー４０の角速度ωが上記の式（３）を満たすように、走査部５の駆動部２４を制御する。これにより、ミラー４０を経由した合成光Ｌ６の第２のリレーレンズ１０の像面での走査速度が一定となり、１画素の走査方向の幅は、走査方向に並ぶ複数の画素でほぼ同じになる。

制御部８は、各表示期間の次の非表示期間において、複数の光源アレイ３０〜３２からの光の射出を停止させ、かつミラー４０が第２の角度位置から第１の角度位置に回動するように駆動部４１を制御する。制御部８は、ミラー４０が第１の角度位置に配置されたとき又はそれ以降に、次のフレーム期間における表示期間の各部の動作を開始させる。以下同様に、プロジェクター１Ｃは、表示期間の動作と非表示期間の動作を交互に繰り返すことによって、２次元画像を表示することができる。

以上のような構成のプロジェクター１Ｃは、第１実施形態で説明した理由により、フルカラーの２次元画像を構成する赤色の画像と緑色の画像と青色の画像のそれぞれの像面湾曲を抑制することができる。したがって、各色の画像にピンボケや歪が生じることが抑制され、シャープなフルカラーの２次元画像を表示することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態や変形例に限定されるものではない。また、上記の実施形態や変形例で説明する各要件は、適宜、組み合わせることができる。

第１〜第３実施形態において、プロジェクターは、２次元画像の長辺方向に平行な画素列を示す光を２次元画像の短辺方向に平行な方向に走査する構成でもよい。
光源アレイの各固体光源は、光軸に直交する面内において、射出する光線の拡散角が固体光源の配列方向で配列方向に直交する方向の拡散角以上となるように、配列されていてもよい。
固体光源とコリメーターレンズとの間の光路に、各固体光源から射出された光線のスポット形状とスポットサイズの少なくとも一方を調整する光学素子（例えば、回折光学素子）が配置されていてもよい。
コリメーターレンズは、各マイクロレンズ２２が２以上の固体光源２１から射出された複数の光線Ｌ２を平行化する構成でもよい。すなわち、各マイクロレンズ２２が２以上の固体光源２１で構成されるグループと、１対１の対応で設けられていてもよい。
第１のリレーレンズと第２のリレーレンズは、光学特性が互いに異なっていてもよい。また、リレー光学系は、光源アレイから光が入射する側が二次光源に対してテレセントリック系であり、光源アレイからの光が射出される側が二次光源に対して非テレセントリック系でもよい。拡散部材６が省略されていてもよいし、拡散部材６で光を拡散する以外の手法でスペックルノイズが観察されることが抑制されていてもよい。
第３実施形態において、プロジェクターは、ミラー４０が正転方向に回動しているときに１フレームの２次元画像を表示し、ミラー４０が逆転方向に回動しているときに次のフレームの２次元画像を表示する構成でもよい。また、プロジェクターは、第２のリレーレンズがｆθレンズで構成されており、表示期間においてミラー４０をほぼ一定の角速度で回動させる構成でもよい。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・・プロジェクター、２・・・光源アレイ、３、３Ｂ・・・コリメーターレンズ、５、５Ｃ・・・走査部、６・・・拡散部材、７・・・投写光学系、９・・・第１のリレーレンズ、１０・・・第２のリレーレンズ、１０Ｂ・・・第２のリレーレンズ、２１・・・固体光源、２３・・・ポリゴンミラー、２４・・・駆動部、２５・・・軸、２６・・・ミラー、２８・・・面（第２のリレーレンズの像面）、３０、３１・・・光源アレイ、３２・・・光源アレイ、３３、３４、３５・・・コリメーターレンズ、３７、３８、３９・・・固体光源、４０・・・ミラー、４１・・・駆動部、４２・・・軸、Ｌ１・・・光、Ｌ２・・・光線（光）、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５・・・光、Ｌ６・・・合成光（光）、Ｐ・・・２次元画像、ＳＣ・・・投写面

Claims (9)

1. 画像情報に応じた光を射出する複数の固体光源が１次元的に配列された光源アレイと、
   前記光源アレイの各固体光源から射出された前記光を平行化するコリメーターレンズと、
   前記コリメーターレンズを経由した前記光が入射する位置に配置され、前側焦点が前記コリメーターレンズの近傍に設定された第１のリレーレンズと、
   前記第１のリレーレンズの後側焦点の近傍に配置され、前記第１のリレーレンズを経由した前記光を１次元的に走査する走査部と、
   前記走査部を経由した前記コリメーターレンズの像を形成する第２のリレーレンズと、
   前記第２のリレーレンズにより形成された像を投写する投写光学系と、
   を備えるプロジェクター。
2. 前記走査部は、複数のミラーを有するとともに前記複数のミラーのいずれかで前記第１のリレーレンズを経由した前記光が反射するポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーで反射した前記光が前記第２のリレーレンズの像面で２次元的に像を形成するように前記ポリゴンミラーを回転駆動する駆動部と、を有する請求項１に記載のプロジェクター。
3. 前記走査部は、前記第１のリレーレンズを経由した前記光が反射するミラーと、前記ミラーで反射した前記光が前記第２のリレーレンズの像面で２次元的に像を形成するように前記ミラーを所定の軸周りの正転方向及び逆転方向に回動駆動する駆動部と、を有するガルバノミラーである請求項１に記載のプロジェクター。
4. 前記走査部のミラーを経由した前記光の前記第２のリレーレンズの像面での走査速度が一定となるように、前記記ミラーの角速度が制御される請求項２又は３に記載のプロジェクター。
5. 前記第２のリレーレンズがｆθレンズである請求項４に記載のプロジェクター。
6. 前記第１のリレーレンズと前記第２のリレーレンズとで光学特性が同じである請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロジェクター。
7. 前記第２のリレーレンズの前側焦点は、前記第１のリレーレンズの後側焦点の近傍に設定されている請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロジェクター。
8. 前記固体光源がレーザー光源であって、
   前記走査部のミラーを経由した前記光の前記第２のリレーレンズの像面の近傍に配置され、前記第２のリレーレンズと前記投写光学系の間の光路に交差する方向に移動する拡散部材を備える請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロジェクター。
9. 前記複数の固体光源から前記コリメーターレンズに入射するときの前記光の拡散角は、前記複数の固体光源の配列方向と平行な方向の拡散角が、前記光の進行方向に直交しかつ前記平行な方向に直交する方向の拡散角よりも小さい請求項１〜８のいずれか一項に記載のプロジェクター。

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