JP5752082B2 - Scanning projector - Google Patents
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Description
本発明は、走査型投射装置に関し、例えば、走査ミラーの直後に歪補正プリズムが配置された走査型投射装置に適用して好適なものである。 The present invention relates to a scanning projection apparatus, and is suitably applied to, for example, a scanning projection apparatus in which a distortion correction prism is disposed immediately after a scanning mirror.
従来、走査型投射装置では、光ビームを2次元走査する手段として、ガルバノミラーやMEMS(MicroElectro-MechanicalSystems)ミラー等の走査ミラーが用いられている。このような走査ミラーで光ビームを2次元走査した場合、走査ミラーの水平方向と垂直方向の角度の組み合わせによる光ビームの反射角度と、投射画像における理想的な光ビームの反射角度との間に誤差が生じ、その結果として投射画像に歪みが生じる問題がある。 Conventionally, in a scanning projection apparatus, a scanning mirror such as a galvano mirror or a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) mirror is used as means for two-dimensionally scanning a light beam. When a light beam is scanned two-dimensionally with such a scanning mirror, the angle between the reflection angle of the light beam, which is a combination of the horizontal and vertical angles of the scanning mirror, and the ideal reflection angle of the light beam in the projected image. There is a problem that an error occurs, and as a result, the projected image is distorted.
このような問題を解決するための1つの手段として、特許文献1には、走査ミラーの直後に歪補正プリズムを配置することにより投射画像の画像歪を補正することが開示されている。
As one means for solving such a problem,
ところで、走査型投射装置の場合、1本の光ビームが投影面上に形成する1つの光スポットが投射画像内の1画素に相当するため、光スポットの形状が正確に円形状となることが望ましい。 By the way, in the case of a scanning projection apparatus, since one light spot formed on the projection surface by one light beam corresponds to one pixel in the projection image, the shape of the light spot may be accurately circular. desirable.
しかしながら、特許文献1で提案された歪補正プリズムは、入射する光ビームに対して水平方向と垂直方向の屈折角度が異なる。このため、かかる特許文献1に開示された方法によると、歪補正プリズムを透過した光ビームの水平方向と垂直方向に位相差が生じ、光ビームに非点収差が発生する。そして、この非点収差により、歪補正プリズムを通過した光ビームのスポット形状が楕円形となり、投射画像の解像度が劣化する問題があった。
However, the distortion correcting prism proposed in
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、投射画像の画像歪みを低減しながら解像度の劣化を防止し得る簡易な構成の走査型投射装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to provide a scanning projection apparatus having a simple configuration that can prevent deterioration in resolution while reducing image distortion of a projected image.
かかる課題を解決するため本発明においては、光ビームを被投射面上で走査することにより、当該非投射面上に2次元画像を投射する走査型投射装置において、前記光ビームを発射するレーザ光源と、第1の偏向軸及び当該第1の偏向軸と直交する第2の偏向軸を有し、前記第1及び又は第2の偏向軸の回りに偏向駆動することにより前記光ビームを前記被投射面上で2次元走査するように反射させる走査ミラーと、前記走査ミラー及び前記被投射面間に設置され、前記走査ミラーで反射した前記光ビームと前記被投射面との角度が所定の角度になるように前記光ビームを所定の角度に屈折させる歪補正プリズムと、前記レーザ光源及び前記歪補正プリズム間に配置され、前記光ビームに非点収差を発生させる非点収差補正素子とを設け、前記非点収差補正素子が、前記歪補正プリズムにおいて前記光ビームに付加される非点収差を打ち消す非点収差を予め前記光ビームに付加し、前記歪補正プリズムは、屈折率の異なる第1及び第2のくさび型プリズムから構成され、前記第1のくさび型プリズムは、前記走査ミラーに入射する前記光ビーム及び当該走査ミラーにおいて反射した前記光ビームの双方が通過するように配置され、前記第2のくさび型プリズムは、前記走査ミラーにおいて反射し、前記第1のくさび型プリズムを通過した前記光ビームの光路上に配置するようにした。 In order to solve this problem, in the present invention, a laser light source that emits a light beam in a scanning projection apparatus that projects a two-dimensional image on the non-projection surface by scanning the light beam on the projection surface. And a first deflection axis and a second deflection axis perpendicular to the first deflection axis, and driving the deflection of the light beam around the first and / or second deflection axis, A scanning mirror that reflects so as to perform two-dimensional scanning on the projection surface, and an angle between the light beam that is installed between the scanning mirror and the projection surface and reflected by the scanning mirror and the projection surface is a predetermined angle. A distortion correction prism that refracts the light beam at a predetermined angle, and an astigmatism correction element that is disposed between the laser light source and the distortion correction prism and generates astigmatism in the light beam. ,Previous Astigmatism correcting element, adds astigmatism that cancels the astigmatism is added to the light beam in advance the light beam in the distortion correcting prism, the distortion correction prism, first and second different refractive index The first wedge-shaped prism is arranged so that both the light beam incident on the scanning mirror and the light beam reflected by the scanning mirror pass through the second wedge-shaped prism. The wedge-shaped prism is arranged on the optical path of the light beam reflected by the scanning mirror and passed through the first wedge-shaped prism .
本発明によれば、投射画像の画像歪みを低減しながら解像度を向上させ得る簡易な構成の走査型投射装置を実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the scanning-type projection apparatus of the simple structure which can improve the resolution, reducing the image distortion of a projection image is realizable.
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1)第1の実施の形態
図1において、1は全体として第1の実施の形態による走査型投射装置を示す。この走査型投射装置は、第1〜第3のレーザ光源2A〜2Cを備えて構成される。なお図1において、一点鎖線は、後述する各光ビームの光軸を示す。
(1) 1st Embodiment In FIG. 1, 1 shows the scanning projection apparatus by 1st Embodiment as a whole. This scanning projection apparatus includes first to third
第1のレーザ光源2Aは、例えば520〔nm〕帯の緑色光ビームL1Gを出射する半導体レーザから構成される。この第1のレーザ光源2Aから出射した緑色光ビームL1Gは、第1のコリメータレンズ3Aにおいて弱収束光ビームに変換された後、第1の光合成素子4Aに入射する。
The first
第2のレーザ光源2Bは、例えば640〔nm〕帯の赤色光ビームL1Rを出射する半導体レーザから構成される。この第2のレーザ光源2Bから出射した赤色光ビームL1Rは、第2のコリメータレンズ3Bにおいて弱収束光ビームに変換された後、第1の光合成素子4Aに入射する。
The second
第3のレーザ光源2Cは、例えば440〔nm〕帯の青色光ビームL1Bを出射する半導体レーザから構成される。この第3のレーザ光源2Cから出射した青色光ビームL1Bは、第3のコリメータレンズ3Cにて弱収束光ビームに変換された後、第2の光合成素子4Bに入射する。
The third
第1〜第3のコリメートレンズ3A〜3Cは、ガラス又は光学部品用プラスチックを材料とする等方的な球面レンズ又は非球面レンズから構成される。従って、これら第1〜第3のコリメートレンズ3A〜3Cにより弱収束光に変換された緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bの光波面は等方的な球面となる。
The first to third
第1の光合成素子4Aは、第1のレーザ光源2Aから発射された緑色光ビームL1Gを透過させる一方、第2のレーザ光源2Bから発射された赤色光ビームL1Rを反射する光学特性を有する波長選択性ミラーから構成される。かくして、これら緑色光ビームL1G及び赤色光ビームL1Rは、第1の光合成素子4Aにより各光軸がほぼ一致するよう合成され、この後第2の光合成素子4Bに入射する。
The first
第2の光合成素子4Bは、第1のレーザ光源2Aから発射された緑色光ビームL1G及び第2のレーザ光源2Bから発射された赤色光ビームL1Rを透過させる一方、第3のレーザ光源2Cから発射された青色光ビームL1Bを反射する光学特性を有する波長選択性ミラーから構成される。かくしてこれら緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bは、第2の光合成素子4Bにより各光軸がほぼ一致するよう合成され、かかる合成により得られた投射用光ビームL2が、この後、非点収差補正素子5に入射する。
The second
非点収差補正素子5は、ガラス又は光学部品用プラスチックからなり、入射する投射用光ビームL2の光波面形状に対し、図1中x方向はそのままで、図1中yz平面内のx方向に対して垂直な方向のみを拡大させるビーム整形機能を有する。このような非点収差補正素子5としては、例えば投射用光ビームL2に対して図1中x方向は垂直で、図1中yz平面方向は斜面となっている、所定の頂角を有するくさび型又は台形型のプリズムを適用できる。図1は、非点収差補正素子5として、光ビームのyz平面成分のみを屈折させ、yz方向のみ投射用光ビームL2のビーム径を拡大するくさび型プリズムを適用した場合の構成例である。非点収差補正素子5の入射面における投射用光ビームL2の屈折角度が大きいほど、yz平面上の投射用光ビームL2のビーム径の拡大率(以下、これをビーム拡大率と呼ぶ)も大きくなる。
The
この非点収差補正素子5を通過した投射用光ビームL2は、走査ミラー6に入射する。走査ミラー6は、図1中y方向に平行な第1の偏向軸(水平走査軸)と、第1の偏向軸と直交する第2の偏向軸(図1中x方向に平行な垂直走査軸)とを有するMEMSミラー又はガルバノミラー等から構成される。この走査ミラー6を第1及び又は第2の偏向軸の回りに偏向駆動することで投射用光ビームL2を、スクリーン8の被投射面上で2次元走査するように反射することができる。なお、走査ミラー6を、垂直走査軸を有する第1の走査ミラーと、水平走査軸を有する第2の走査ミラーとにより構成するようにしても良い。
The projection light beam L 2 that has passed through the
走査ミラー6において反射した投射用光ビームL2は、歪補正プリズム7に入射する。歪補正プリズム7は、入射する投射用光ビームL2に対して、図1中x方向には平行で、図1中yz方向には所定の角度を有するくさび型プリズムから構成される。歪補正プリズム7は、特許文献1に記載しているように、走査された投射用光ビームL2を図1中yz平面成分のみ屈折させることで、走査ミラー6の偏向角度と理想的な偏向角度との誤差で生じる画像の歪を補正する光学特性を有する。しかしながら、歪補正プリズム7は、投射用光ビームL2を図1中yz平面成分のみ屈折させるため、図1中x方向はそのままで、図1中yz平面方向のみ光ビーム径を縮小させるビーム整形機能も併せもつ。
The projection light beam L 2 reflected by the
歪補正プリズム7を通過した投射用光ビームL2を構成する緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bは、それぞれ走査型投射装置1の外に配置されたスクリーン8上の同じ位置に3個の円形の光スポットを重ねて形成する。すなわち、スクリーン8上では、緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bがそれぞれ形成する光スポットが1個の円形の光スポットとして確認できる。本実施の形態の走査型投射装置1の場合、1個の光スポットは投射画像の1画素に相当する。
The green light beam L1G, red light beam L1R, and blue light beam L1B constituting the projection light beam L2 that has passed through the
以上のように、本実施例の走査型投射装置1は、少なくとも第1〜第3のレーザ光源2A〜2C、第1〜第3のコリメータレンズ3A〜3C、第1及び第2の光合成素子4A,4B、非点収差補正素子5、走査ミラー6及び歪補正プリズム7によって構成されていれば良く、途中に回折格子や波長板などの光学素子の追加や、ミラーで光路を折り曲げた構成であっても何ら構わない。
As described above, the
次に、非点収差補正素子5及び歪補正プリズム7を通過する投射用光ビームL2のビーム整形率(ビーム拡大率及びビーム縮小率)について説明する。
Next, the beam shaping rate (beam expansion rate and beam reduction rate) of the projection light beam L2 that passes through the
図2は、走査型投射装置1から非点収差補正素子5を取り除いた従来の走査型投射装置の一部構成を示す。ここでは、説明の簡単のため、歪補正プリズム7及び走査ミラー6のみを記載し、その他の部品は省略する。図中、一点鎖線は投射用光ビームL2の光軸を表し、波線は当該投射用光ビームL2の最外周を表す。また図2において、投射用光ビームL2の断面について、yz面内のx方向に垂直な方向をyz方向とする。
FIG. 2 shows a partial configuration of a conventional scanning projection apparatus in which the
歪補正プリズム7を通過する前の投射用光ビームL2の光路上の任意の位置を位置A´、歪補正プリズム7を通過した後の投射用光ビームL2の光路上の任意の位置を位置C´とする。また投射用光ビームL2のyz方向における投射用光ビームL2の光軸から当該投射用光ビームL2の最外周までの高さについて、位置A´における高さをHyz1´、位置C´における高さをHyz3´とする。さらに図2には記載していないが、投射用光ビームL2のx方向における光軸から投射用光ビームL2の最外周までの高さについて、位置A´における高さをHx1´、位置C´における光軸から光ビーム最外周までの高さをHx3´とする。
An arbitrary position on the optical path of the projection light beam L2 before passing through the
歪補正プリズム7の入射面7Iの入射角をa1、屈折角をa2、出射面7Oの入射角をa3、屈折角をa4とすると、高さHyz1´及び高さHyz3´に基づき算出されるビーム縮小率M1´は、次式のように表すことができる。
一方、投影用光ビームL2が歪補正プリズム7を通過する際、当該投影用光ビームL2の光波面のx方向は拡大も縮小もされない。従って、歪補正プリズム7を通過する投影用光ビームL2はyz方向のみビームが縮小されるようにビーム整形され、そのままスクリーン8(図1)まで到達する。
On the other hand, when the projection light beam L2 passes through the
図3は、図2の位置A´及び位置C´における投影光ビームの光波面形状を模式的に表したものである。投射用光ビームL2の位置A´及び位置C´におけるx方向の光波面形状を図3(A)に、yz方向の光波面形状を図3(B)にそれぞれ示している。以下においては、投射用光ビームL2の位置A´及び位置C´におけるx方向の曲率をそれぞれCx1´、Cx3´とし、位置A´及び位置C´における投射用光ビームL2のyz方向の曲率をそれぞれCyz1´、Cyz3´とする。 FIG. 3 schematically shows the light wavefront shape of the projection light beam at the positions A ′ and C ′ in FIG. The light wavefront shape in the x direction at the positions A ′ and C ′ of the projection light beam L2 is shown in FIG. 3A, and the light wavefront shape in the yz direction is shown in FIG. 3B. In the following, the curvatures in the x direction at the positions A ′ and C ′ of the projection light beam L2 are Cx1 ′ and Cx3 ′, respectively, and the curvatures in the yz direction of the projection light beam L2 at the positions A ′ and C ′ are respectively. Let them be Cyz1 ′ and Cyz3 ′, respectively.
上述のように投射用光ビームL2は、等方的な球面レンズ又は非球面レンズである第1〜第3のコリメートレンズ3A〜3Cによって弱収束光に変換されている。そのため、位置A´における投射用光ビームL2の光波面は等方的な球面形状となっており、高さHx1´及び高さHyz1´と、曲率Cx1´及び曲率Cyz1´はそれぞれ等しい。
As described above, the projection light beam L2 is converted into weakly convergent light by the first to third
一方、歪補正プリズム7のみを通過した位置C´では、投射用光ビームL2について、高さHyz3´のみM1倍に縮小され、高さHyz3´は高さHx3´よりも低くなる。さらに、投射用光ビームL2の位置C´における光波面の曲率Cyz3´もビーム縮小に伴い曲率Cx3´よりも大きくなる。すなわち、投射用光ビームL2が歪補正プリズム7を通過する際、その光波面の曲率Cx3´よりも曲率Cyz3´が大きくなるような非点収差が与えられる。
On the other hand, at the position C ′ that has passed through only the
図4は、走査型投射装置1から出射した投射用光ビームL2の進行距離に対する光スポットの形状変化の様子を示す。投射用光ビームL2の光スポット形状は、当該投射用光ビームL2が歪補正プリズム7を通過する際に与えられた非点収差により、走査型投射装置1からの距離に応じて変化する。
FIG. 4 shows how the shape of the light spot changes with respect to the travel distance of the projection light beam L2 emitted from the
具体的に、図3(B)について上述した投射用光ビームL2の位置C´におけるyz方向の光波面の曲率Cyz3´は、位置C´における光波面のx方向の曲率Cx3´よりも大きいため、y方向の焦点位置はx方向の焦点位置よりも手前となる。 Specifically, the curvature Cyz3 ′ of the light wavefront in the yz direction at the position C ′ of the projection light beam L2 described above with reference to FIG. 3B is larger than the curvature Cx3 ′ in the x direction of the light wavefront at the position C ′. The focal position in the y direction is in front of the focal position in the x direction.
従って、y方向の焦点位置付近における投射用光ビームL2の光スポットの形状は横長の楕円形状となる(符号11A)。この後、投射用光ビームL2の進行に伴い、y方向の径がx方向の径と同じ長さに近づくように光スポットの形状が連続的に変化してゆき、投射用光ビームL2がx方向及びy方向の焦点の中間位置まで進行した段階で光スポットの形状が円形となる(符号11B)。 Accordingly, the shape of the light spot of the projection light beam L2 in the vicinity of the focal position in the y direction is a horizontally long elliptical shape (reference numeral 11A). Thereafter, as the projection light beam L2 travels, the shape of the light spot continuously changes so that the diameter in the y direction approaches the same length as the diameter in the x direction, and the projection light beam L2 changes to x. The shape of the light spot becomes circular when it has reached the middle position of the focal point in the direction and the y direction (reference numeral 11B).
さらに、この後、投射用光ビームL2の進行に伴い、y方向の径がx方向の径よりも大きくなるように光スポットの形状が連続的に変化してゆき、投射用光ビームL2がx方向の焦点位置近傍まで進行した段階で光スポットの形状が縦長の楕円形状となる(符号11C)。この後、投射用光ビームL2の進行に伴い、光スポットは縦長の楕円形状を維持しながら広がってゆく(符号11D)。 Further, thereafter, as the projection light beam L2 advances, the shape of the light spot continuously changes so that the diameter in the y direction becomes larger than the diameter in the x direction, and the projection light beam L2 becomes x. The shape of the light spot becomes a vertically long ellipse when it reaches the vicinity of the focal position in the direction (reference numeral 11C). Thereafter, as the projection light beam L2 proceeds, the light spot spreads while maintaining a vertically long elliptical shape (reference numeral 11D).
ここで走査型投射装置において、良い解像度を得るためには、光スポットの形状は円形が望ましい。しかしながら、従来の走査型投射装置200では、上述のように歪補正プリズム7で加えられる非点収差の影響により、投射用光ビームL2がx方向及びy方向の焦点の中間位置まで進行した時点を除き、投射用光ビームL2の光スポットは楕円形状となる。そのため、投射用光ビームL2のx方向及びy方向の焦点の中間位置以外にスクリーン8(図1)を配置すると、当該スクリーン8上に投射される画像の解像度が劣化するという課題がある。
Here, in the scanning projection apparatus, in order to obtain a good resolution, the shape of the light spot is preferably circular. However, in the conventional scanning projection apparatus 200, the point in time when the projection light beam L2 travels to an intermediate position between the focal points in the x direction and the y direction due to the influence of astigmatism applied by the
図5は、本実施の形態の走査型投射装置1の一部構成を示す。ここでも、説明の簡単のため、非点収差補正素子5、歪補正プリズム7及び走査ミラー6のみを記載し、その他の部品は省略する。またこの図5においても、一点鎖線は投射用光ビームL2の光軸を表し、波線は投射用光ビームL2の最外周を表す。
FIG. 5 shows a partial configuration of the
非点収差補正素子5を通過する前の投射用光ビームL2の光路上の任意の位置を位置A、非点収差補正素子5を通過した後の投射用光ビームL2の光路上の任意の位置を位置B、歪補正プリズム7を通過した後の投射用光ビームL2の光路上の任意の位置を位置Cとする。また投射用光ビームL2の光波面において、x方向に垂直な方向をyz方向とする。
An arbitrary position on the optical path of the projection light beam L2 before passing through the
yz方向における投射用光ビームL2の光軸から当該投射用光ビームL2の最外周までの高さについて、位置Aにおける高さをHyz1、位置Bにおける高さをHyz2、位置Cにおける高さをHyz3とする。また図5には記載していないが、投射用光ビームL2のx方向における光軸から当該投射用光ビームL2の最外周までの高さについて、位置Aにおける高さをHx1、位置Bにおける高さをHx2、位置Cにおける高さをHx3とする。 Regarding the height from the optical axis of the projection light beam L2 in the yz direction to the outermost periphery of the projection light beam L2, the height at the position A is Hyz1, the height at the position B is Hyz2, and the height at the position C is Hyz3. And Although not shown in FIG. 5, regarding the height from the optical axis in the x direction of the projection light beam L2 to the outermost periphery of the projection light beam L2, the height at position A is Hx1, and the height at position B is high. Let Hx2 be the height and Hx3 be the height at position C.
非点収差補正素子5の入射面5Iにて、光ビームの入射角をa5、屈折角度をa6とすると、高さHyz1及び高さHyz2に基づき算出されるビーム拡大率M2は次式のように表すことができる。
なお、非点収差補正素子5の出射面5Oは、上述のように投射用光ビームL2に対して垂直に設定されており、投射用光ビームL2はそのまま通過する。
The exit surface 5O of the
同様に、歪補正プリズム7のビーム縮小率M1は、(1)式と同様に、次式のように表すことができる。
ここで、(2)式及び(3)式より、ビーム拡大率M2とビーム縮小率M1の関係が次式
そこで、本実施の形態による走査型投影装置では、(4)式を満たすように非点収差補正素子5の入射面5Iにおける入射角a5及び屈折角a6が設定されており、これにより歪補正プリズム7によるビーム縮小効果を非点収差補正素子5によるビーム拡大効果により打ち消す(つまり歪補正プリズム7において投射用光ビームL2に付加される非点収差を打ち消すような非点収差を非点収差補正素子5において投射用光ビームL2に予め付与する)ことができるようになされている。
Therefore, in the scanning projection apparatus according to the present embodiment, the incident angle a5 and the refraction angle a6 on the incident surface 5I of the
図6は、図5の位置A、位置B及び位置Cにおける投射用光ビームL2の光波面形状を模式的に表したものである。投射用光ビームL2の位置A、位置B及び位置Cにおけるx方向の光波面形状を図6(A)に、yz方向の光波面形状を図6(B)にそれぞれ示している。以下においては、投射用光ビームL2の位置A、位置B及び位置Cにおけるx方向の曲率をそれぞれCx1、Cx2、Cx3とし、位置A、位置B及び位置Cにおける投射用光ビームL2のyz方向の曲率をCyz1、Cyz2、Cyz3とする。 FIG. 6 schematically shows the light wavefront shape of the projection light beam L2 at the positions A, B, and C in FIG. FIG. 6A shows the light wavefront shape in the x direction at the positions A, B and C of the projection light beam L2, and FIG. 6B shows the light wavefront shape in the yz direction. In the following, curvatures in the x direction at the positions A, B, and C of the projection light beam L2 are Cx1, Cx2, and Cx3, respectively, and the projection light beam L2 at the positions A, B, and C in the yz direction. Let curvatures be Cyz1, Cyz2, and Cyz3.
上述のように、位置Aにおける投射用光ビームL2の光波面は等方的な球面形状となっており、高さHx1及び高さHyz1と、曲率Cx1及び曲率Cyz1はそれぞれ等しい。 As described above, the light wavefront of the projection light beam L2 at the position A has an isotropic spherical shape, and the height Hx1 and the height Hyz1 are equal to the curvature Cx1 and the curvature Cyz1.
一方、非点収差補正素子5を通過した位置Bでは、投射用光ビームL2はyz方向のみM1倍に拡大される。従って、位置Bにおける投射用光ビームL2のyz方向の高さHyz2は、位置Aにおけるyz方向の高さHyz1のM1倍に拡大され、位置Bにおける投射用光ビームL2のx方向の高さHx2よりも高くなる。同様に、位置Bにおける投射用光ビームL2の光波面のyz方向の曲率Cyz2も、ビーム径の拡大に伴い当該光波面のx方向の曲率Cx2より小さくなる。すなわち、投射用光ビームL2は、非点収差補正素子5を通過する際、その光波面がx方向の曲率Cx2よりもyz方向の曲率Cyz2のほうが小さくなるような非点収差が与えられる。
On the other hand, at the position B that has passed through the
他方、歪補正プリズム7を通過した位置Cにおいて、位置Bにおける投射用光ビームL2の光波面のyz方向は再びM2倍に縮小される。つまり位置Cにおける光波面のyz方向の高さHyz3は、位置Bにおける光波面のyz方向の高さHyz2のM2倍に縮小され、同時に位置Cにおける投射用光ビームL2の光波面の曲率Cyz3も位置Bにおける光波面の曲率Cyz2より大きくなる。すなわち、投影用光ビームL2には、非点収差補正素子5とは符号が逆の非点収差が歪補正プリズム7によって付与される。
On the other hand, at the position C that has passed through the
この場合において、上述のように非点収差補正素子5のビーム拡大率M2と、歪補正プリズム7のビーム縮小率M1との関係は(4)式を満たす。従って、歪補正プリズム7を通過した際、投射用光ビームL2が非点収差補正素子5によるビーム拡大率M2と同じ量だけ当該投射用光ビームL2が縮小され、光ビーム整形効果が打ち消される。従って、投射用光ビームL2に付与されていた非点収差は打ち消されてその光波面が等方的となり、位置Cにおける光波面のyz方向の高さHyz3及びx方向の高さHx3と、当該位置Cにおける投射用光ビームL2のyz方向の曲率Cyz3及びx方向の曲率Cxとは再びほぼ一致する。
In this case, as described above, the relationship between the beam expansion rate M2 of the
図7は、本実施の形態による走査型投射装置1から出射した投射用光ビームL2の進行距離に対する光スポット形状の変化の様子を示す。本実施の形態の場合、走査型投射装置1から出射した光ビームは、歪補正プリズム7で付与される非点収差が打ち消されているため、投射用光ビームL2の光波面におけるx方向及びy方向の焦点位置は一致する。それゆえ、焦点位置付近における光スポットの形状は円形でかつ最小となり(符号12B)、その前後においては円形のまま光スポットが発散する(符号12A,12C,12D)。
FIG. 7 shows how the light spot shape changes with respect to the traveling distance of the projection light beam L2 emitted from the
すなわち、本実施の形態における走査型投射装置1では、スクリーン上に形成されるスポット径がスクリーン位置をどこに配置しても円形となり、スクリーン位置に依存せず良い解像度が得られる。
That is, in the
以上のように本実施の形態による走査型投射装置1によれば、歪補正プリズム7のビーム縮小率M1に対して(4)式を満たすビーム拡大率M2を有する非点収差補正素子5を投射用光ビームL2の光路上に配置したことにより、歪補正プリズム7で発生する非点収差と同じ量でかつ逆の符号をもつ非点収差を光ビームに与えることができ、歪補正プリズム7で光ビームに与えられる非点収差を打ち消すことができる。かくするにつきスクリーンの位置に依らずに当該スクリーン上の光スポット形状を円形とすることができ、かくして投射画像の画像歪みを低減しながら解像度の劣化を防止し得る走査型投射装置を実現できる。
As described above, according to the
(2)第2の実施の形態
図1との対応部分に同一符号を付して示す図8は、第2の実施の形態による走査型投射装置20を示す。この走査型投射装置20は、歪補正プリズム21が2個以上の部品で構成されている点を除いて第1の実施の形態による走査型投射装置1と同様に構成されている。
(2) Second Embodiment FIG. 8, which shows components corresponding to those in FIG. 1 with the same reference numerals, shows a
実際上、本実施の形態の場合、歪補正プリズム21は、屈折率の異なる第1及び第2のくさび型プリズム21A、21Bから構成されている。そして第1のくさび型プリズム21Aは、走査ミラー6に入射する前記投射用光ビームL2及び当該走査ミラー6において反射した投射用光ビームL2の双方が通過するように配置され、前記第2のくさび型プリズム21Bは走査ミラー6において反射し、第2のくさび型プリズムを通過した投射用光ビームL2の光路上に配置されている。
In practice, in the case of the present embodiment, the
このように本実施の形態による走査型投射装置20では、歪補正プリズム21を屈折率の異なる2個のくさび型プリズム(第1及び第2のくさび型プリズム21A,21B)により構成し、これら2個のくさび型プリズムを用いて投射用光ビームL2を屈折させるようにしているため、投射用光ビームL2を構成する緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bの波長の違いに伴うこれら緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bの光軸ずれを良好に補償することができる。さらに本実施の形態による走査型投射装置20では、歪補正プリズム21を構成する第1及び第2のくさび型プリズム21A、21Bを離して配置しているため、設計の自由度が広がり、小型化も可能となる。
As described above, in the
この場合において、このような歪補正プリズム21も、投射用光ビームL2の光波面において、図8中のx方向及びyz平面方向の屈折角度が異なるため、通過する投射用光ビームL2に非点収差が付与される。
In this case, such a
そこで、本実施の形態による走査型投射装置20では、歪補正プリズム21(第1及び第2のくさび型プリズム21A、21B)を通過する投射用光ビームL2に対して当該歪補正プリズム21において付加される非点収差を打ち消し得る非点収差を投射用光ビームL2に与え得るように非点収差補正素子22が構成されている。
Therefore, in the
具体的に、非点収差補正素子22は、歪補正プリズム21において投射用光ビームL2に付加される非点収差と同じ量で、かつ逆の符号をもつ非点収差を投射用光ビームL2に付加できるように非点収差補正素子22の入射面における入射角及び屈折角が設定されている。
Specifically, the
これにより本実施の形態による走査型投射装置20では、投射用光ビームL2を構成する緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bの波長の違いに伴うこれら緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bの光軸ずれを良好に補償しつつ、投射画像の画像歪みを低減しながら解像度の劣化を防止し得る解像度の劣化を有効に防止することができる。
As a result, in the
(3)他の実施の形態
なお上述の第1及び第2の実施の形態においては、歪補正プリズム7において投射用光ビームL2の光波面のyz方向の曲率のみが大きくなる場合の非点収差補正について述べたが、本発明はこれに限らず、歪補正プリズム7で投射用光ビームL2の光波面のyz方向の曲率のみが小さくなる場合にも本発明を適用することができる。
(3) Other Embodiments In the first and second embodiments described above, astigmatism occurs when only the curvature in the yz direction of the light wavefront of the projection light beam L2 increases in the
この場合には、非点収差補正素子5によって投射用光ビームL2の光波面のyz方向の曲率が大きくなるよう非点収差を付加すれば良く、これによりスクリーンへ進行する投射用光ビームL2の非点収差を打ち消すことができる。これよりスクリーン位置に依らず、投射用光ビームL2がスクリーン8上に形成する光スポットを円形にすることが可能となり、投射画像の解像度が劣化することはない。
In this case, astigmatism may be added by the
また上述の第1及び第2の実施の形態においては、緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bを合成する光合成素子4A,4Bとして波長選択性ミラーを適用するようにした場合について述べたが本発明はこれに限らず、光合成素子4A,4Bとして、波長選択性ミラーに代えて波長選択性プリズムを適用したり、液晶プロジェクタ等で一般的に用いられる1個の波長選択性クロスプリズムを用いて緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bを合成するようにしても良い。
In the first and second embodiments described above, the wavelength selective mirror is applied as the
さらに上述の第1及び第2の実施の形態においては、緑色光ビームL1G及び赤色光ビームL1Rを合成し、その後これら緑色光ビームL1G及び赤色光ビームL1Rに青色光ビームL1Bを合成することにより投射用光ビームL2を生成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これら緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bの合成順序はこれ以外の順序であっても良い。 Further, in the first and second embodiments described above, the green light beam L1G and the red light beam L1R are combined, and then the blue light beam L1B is combined with the green light beam L1G and the red light beam L1R. However, the present invention is not limited to this, and the synthesis order of the green light beam L1G, the red light beam L1R, and the blue light beam L1B is other than this. Also good.
さらに上述の第1及び第2の実施の形態においては、第1〜第3のコリメータレンズ3A〜3Cを用いて緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bをそれぞれ弱収束光ビームに変換するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば1個のマイクロレンズアレイにより緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bをそれぞれ弱収束光ビームに変換するようにしても良い。この場合には、緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bを1本の投射用光ビームL2に合成後に1個のマイクロレンズアレイによりこれら緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R及び青色光ビームL1Bを弱収束光に変換すれば良い。
Further, in the first and second embodiments described above, the green light beam L1G, the red light beam L1R, and the blue light beam L1B are each made into a weakly convergent light beam using the first to
さらに上述の第1及び第2の実施の形態においては、緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R又は青色光ビームL1Bをそれぞれ発射する第1〜第3のレーザ光源2A〜2Cを異なる別々のパッケージとするようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これら第1〜第3のレーザ光源2A〜2Cを同一パッケージ内に設ける(つまり緑色光ビームL1G、赤色光ビームL1R又は青色光ビームL1Bを発射する1つのレーザ光源を構築する)ようにしても良い。
Further, in the first and second embodiments described above, the first to third
さらに上述の第1及び第2の実施の形態においては、非点収差補正素子5,22をくさび型プリズムから構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば図9に示すように、断面のx方向と平行な面が平面で、これに直交するyz平面上の、投射用光ビームL2と平行な方向が所定の曲率をもつシリンドリカルレンズ31により非点収差補正素子5,22を構成するようにしても良い。このようにすることによっても、投射用光ビームL2の光波面のx方向はそのままで、x方向に垂直なyz方向のみ投射用光ビームを拡大することができる。
Further, in the first and second embodiments described above, the case where the
本発明は、走査型投射装置に関し、投射用光ビームの光路上に歪補正プリズムが配置された種々の構成の走査型投射装置に広く適用することができる。 The present invention relates to a scanning projection apparatus, and can be widely applied to scanning projection apparatuses having various configurations in which a distortion correction prism is disposed on an optical path of a projection light beam.
1,20……走査型投射装置、2A〜2C……レーザ光源、3A〜3C……コリメータレンズ、4A,4B……光合成素子、5,22……非点収差補正素子、6……走査ミラー、7,21……歪補正プリズム、8……スクリーン、21A,21B……くさび型プリズム、31……シリンドリカルレンズ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記光ビームを発射するレーザ光源と、
第1の偏向軸及び当該第1の偏向軸と直交する第2の偏向軸を有し、前記第1及び又は第2の偏向軸の回りに偏向駆動することにより前記光ビームを前記被投射面上で2次元走査するように反射させる走査ミラーと、
前記走査ミラー及び前記被投射面間に設置され、前記走査ミラーで反射した前記光ビームと前記被投射面との角度が所定の角度になるように前記光ビームを所定の角度に屈折させる歪補正プリズムと、
前記レーザ光源及び前記歪補正プリズム間に配置され、前記光ビームに非点収差を発生させる非点収差補正素子と
を備え、
前記非点収差補正素子は、
前記歪補正プリズムにおいて前記光ビームに付加される非点収差を打ち消す非点収差を予め前記光ビームに付加し、
前記歪補正プリズムは、
屈折率の異なる第1及び第2のくさび型プリズムから構成され、
前記第1のくさび型プリズムは、
前記走査ミラーに入射する前記光ビーム及び当該走査ミラーにおいて反射した前記光ビームの双方が通過するように配置され、
前記第2のくさび型プリズムは、
前記走査ミラーにおいて反射し、前記第1のくさび型プリズムを通過した前記光ビームの光路上に配置された
ことを特徴とする走査型投射装置。 In a scanning projection device that projects a two-dimensional image on a projection surface by scanning a light beam on the projection surface,
A laser light source for emitting the light beam;
A first deflection axis and a second deflection axis orthogonal to the first deflection axis, and driving the deflection of the light beam about the first and / or second deflection axis to cause the light beam to be projected A scanning mirror that reflects in a two-dimensional scan above;
Distortion correction that is placed between the scanning mirror and the projection surface and refracts the light beam at a predetermined angle so that the angle between the light beam reflected by the scanning mirror and the projection surface becomes a predetermined angle. Prism,
An astigmatism correction element disposed between the laser light source and the distortion correction prism and generating astigmatism in the light beam,
The astigmatism correction element is
Astigmatism that cancels astigmatism added to the light beam in the distortion correction prism is added to the light beam in advance ,
The distortion correction prism is
It is composed of first and second wedge prisms having different refractive indexes,
The first wedge-shaped prism is
Both the light beam incident on the scanning mirror and the light beam reflected by the scanning mirror pass through,
The second wedge prism is
A scanning projection apparatus, wherein the scanning projection apparatus is disposed on an optical path of the light beam reflected by the scanning mirror and passed through the first wedge prism .
前記光ビームの光波面の所定の第1の方向を所定のビーム整形率で拡大又は縮小する非点収差を前記光ビームに付加し、
前記非点収差補正素子は、
前記光ビームの光波面の前記第1の方向を、前記歪補正プリズムのビーム整形率とほぼ同じ量でかつ反対方向に縮小又は拡大する
ことを特徴とする請求項1に記載の走査型投射装置。 The distortion correction prism is
Adding astigmatism to the light beam to enlarge or reduce a predetermined first direction of the light wavefront of the light beam at a predetermined beam shaping rate;
The astigmatism correction element is
2. The scanning projection apparatus according to claim 1, wherein the first direction of the light wavefront of the light beam is reduced or enlarged in the opposite direction by substantially the same amount as the beam shaping rate of the distortion correction prism. .
所定の屈折率を有するガラス又は光学部品用プラスチックからなり、かつ所定の頂角を有するくさび型又は台形型のプリズムである
ことを特徴とする請求項1に記載の走査型投射装置。 The astigmatism correction element is
The scanning projection apparatus according to claim 1, wherein the scanning projection apparatus is a wedge-shaped or trapezoidal prism made of glass having a predetermined refractive index or plastic for optical parts and having a predetermined apex angle.
断面の第1の方向が平面で、それに直交する第2の方向が所定の曲率をもつシリンドリカルレンズである
ことを特徴とする請求項1に記載の走査型投射装置。 The astigmatism correction element is
2. The scanning projection apparatus according to claim 1, wherein the first direction of the cross section is a plane, and a second direction orthogonal thereto is a cylindrical lens having a predetermined curvature.
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