JP2009003042A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザ光の走査の線形性に優れるとともに、光利用効率に優れた光走査装置、及びこの光走査装置を用いた画像表示装置を提供する。
【解決手段】
第１の主走査部が１回走査された後に、光の偏光方向を切り換えるとともに、第２の主走査部が１回走査された後に、光の偏光方向を切り換えるように電気光学変調器を制御する制御部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置及び画像表示装置、特に、画像信号に応じて光強度変調（以下、「変調」という）されたレーザ光を走査させるための光走査装置及びその光走査装置を用いる画像表示装置の技術に関する。

特開２００３−２９１８２号公報の図２には、共振振動の問題点として、線形性が得られる位相範囲が狭いことを課題し、この課題を解決するために、ｆ・θ特性を有する投射光学系を使用し、さらに、ｆ・θレンズ使用の弊害としての走査線の曲がりを、垂直走査部の振幅を工夫することで補正する技術が開示されている。

特開２００６−２０１２２０号公報には、走査開始位置から走査終了位置までの２次元状の走査を行った後に、瞬時にレーザ光の走査位置を元に戻すことを課題とし、この課題を解決するために、レーザ光を回折格子を用いて２系統に分割し、一方の走査部が２次元状の走査を行っている間に、他方の走査部を初期位置に戻す技術が開示されている。

特開２００３−２９１８２号公報 特開２００６−２０１２２０号公報

しかし、特開２００３−２９１８２号公報では、ｆ・θレンズを有する投射光学系を用いているため、走査型の画像表示装置におけるシステムの大型化を招く。また、ｆ・θレンズは回転非対称なレンズであり、一般に高価で、コストを押し上げることにもなる。

また、特開２００６−２０１２２０号公報の実施例１では、レーザ光を回折格子で分割し、分割した内のどちらか一方を用いて走査すると、他方が利用されないことになり、光利用効率が低下する。また、特開２００６−２０１２２０号公報の実施例２で開示されるように、複数のレーザ光源を用いると、消費電力の増大を招くとともに、コストアップも懸念される。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、画像表示装置として優れた光利用効率と、線形性に優れた走査特性を有する光走査装置、及び、光走査装置を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一面は、第１の主走査部が１回走査された後に、光の偏光方向を切り換えるとともに、第２の主走査部が１回走査された後に、光の偏光方向を切り換えるように電気光学変調器を制御する制御部を備える。

本発明によれば、線形性に優れた走査特性を有し、且つ、光利用効率に優れた光走査装置、及びこの光走査装置を用いた画像表示装置を提供できる。

以下、図面を用いて実施例について説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一は符号を付して示し、一度述べたものについては、その重複する説明を省略する。

最初に、本発明の光走査装置の基本構成について図１から図７を用いて説明する。次に、従来の光走査装置の基本構成と課題の説明を元に、発明者が新たに気付き本発明に至った要点について説明する。最後に、本発明の作用について説明する。

図１を用いて、実施例１による光走査装置の光学部の基本構成について説明する。

図１は、マルチ走査方式の実施例１を示す光学部の基本構成図である。

図１に示すように、実施例１による光走査装置の光学系を構成する光学部９００は、光ビームを出射する光源部３０と、画像信号（図示せず）に応じて光強度変調を行う音響光学変調器（Acoustro-Optics Modulator：以下、「ＡＯＭ」と省略）６０と、直線偏光の偏光方向を９０度回転させて、変換する電気光学変調器４１と、偏光ビームスプリッタ４２と、第１主走査部としての第１主走査ミラー１１および第１副走査部としての第１副走査ミラー２１とを含む第１系統走査部５１と、第２主走査部としての第２主走査ミラー１２および第２副走査部としての第２副走査ミラー２２とを含む第２系統走査部５２と、偏光ビームスプリッタ４２で偏光分離された偏光光を第２主走査ミラー１２に向けて反射させる反射ミラー４３と、を含んでなる。

光源部３０は、例えば、半導体レーザである。半導体レーザは、所定直線偏光光（ここでは、便宜上偏光ビームスプリッタ４２に対してＰ偏光光であるとする）の光ビームを出射する。光源部３０から出射したレーザ光は、ＡＯＭ６０で画像信号に応じて変調され、偏光切り換え部としての電気光学変調器４１に入射する。

この電気光学変調器４１は、例えば、特開２００６−９５５６６号公報に記載されているように、電気光学効果を有する結晶を有し、所定の電圧を印加することで、結晶を通過する直線偏光の偏光方向を９０度回転することができる。すなわち、電気光学変調器４１は、光源部３０からのＰ偏光光（第１の偏光方向を有する光）をそのまま出力するか、Ｐ偏光光（第１の偏光光）をＳ偏光光（第２の偏光方向を有する光）に切り換えて出力する（勿論、光源部３０からＳ偏光光が出射された場合は、この逆の作用を行う）。なお、電気光学変調器４１による偏光光の切り換え制御については、後述する。

この電気光学変調器４１を出射したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４２に入射する。偏光ビームスプリッタ４２は、入射するレーザ光の偏光状態によって、レーザ光を直進させ又は反射させる作用を有する。従って、電気光学変調器４１と偏光ビームスプリッタ４２は、光源部３０からのレーザ光の偏光状態を切り換え、切り換え後の偏光状態で直交する２方向に光路を切り換える光路切り換え部を構成しているといえる。

なお、ＡＯＭ６０は、光源部３０から出射されるレーザ光を画像信号に応じて変調すると共に、レーザ光を減光したりブランキングしたりする装置であり、カラー制御にも使用することができる。フルカラーの制御を行う場合は、少なくともＲ光，Ｇ光，Ｂ光それぞれのレーザ光に対して別個にＡＯＭ６０を使用してカラーバランスを決定する。その後で、公知の光学部品を使用して変調されたＲ光，Ｇ光，Ｂ光を１つの光ビームに合成する。近年は、白色レーザの開発も盛んであり、この白色レーザの色変調として、ＰＣＡＯＭ（Polychromatic Acoustro-Optic Modulator）が使用されている。ＰＣＡＯＭは白色レーザ光から任意の波長を任意の割合で検出し、特定のカラーを作り出すことのできる装置であり、ＰＣＡＯＭも、特殊な原理を利用した一種のＡＯＭである。

電気光学変調器４１からＰ偏光光として出射したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４２を透過し、水平方向の第１主走査部としての第１主走査ミラー１１に入射する。共振振動で走査作用を行う第１主走査ミラー１１の詳細については、図３から図５を用いて、後で説明する。そして、第１主走査ミラー１１で水平方向の走査作用を受けたレーザ光は、垂直方向の第１副走査部としての第１副走査ミラー２１に入射する。第１副走査ミラー２１は、第１ガルバノメータ２１０で垂直方向の走査作用を行うように駆動されるので、第１副走査ミラー２１で垂直方向の走査作用を受けたレーザ光は、被照射体（例えば、スクリーン）の画像表示領域７０で２次元状に走査される。この走査を説明の都合上第１系統走査といい、また第１主走査ミラー１１と第１副走査ミラー２１とで構成される走査部を第１系統走査部５１と定義する。

次に、電気光学変調器４１からＳ偏光光として出射したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４２で反射し、次に、反射ミラー４３で反射し出射方向を変更した後で、水平方向の第２主走査部としての第２主走査ミラー１２に入射する。第２主走査ミラー１２は、第１主走査ミラー１１と同様、共振振動で走査作用を行う。第２主走査ミラー１２で水平方向の走査作用を受けたレーザ光は、垂直方向の第２副走査部としての第２副走査ミラー２２に入射する。第２副走査ミラー２２は、第２ガルバノメータ２２０で垂直方向の走査作用を行うように駆動されるので、第２副走査ミラー２２で垂直方向の走査作用を受けたレーザ光は、画像表示領域７０で２次元状に走査される。同様に、この走査を説明の都合上第２系統走査といい、また第２主走査ミラー１２と第２副走査ミラー２２とで構成される走査部を第２系統走査部５２と定義する。

画像表示領域７０には、上記した第１系統走査部５１により第１主走査ミラー１１の往路で第１水平ラインＬ１がＰ偏光光で描画され、次に、第２系統走査部５２により第２主走査ミラー１２の往路で第２水平ラインＬ２がＳ偏光光で描画される。そして、第１系統走査部５１により第１主走査ミラー１１の復路で第３水平ラインＬ３がＰ偏光光で描画され、次に、第２系統走査部５２により第２主走査ミラー１２の復路で第４水平ラインＬ４がＳ偏光光で描画される。以下、同様な動作が画像表示領域７０の上部から下部に向かって周期的に繰り返され、１フレーム画像が描画される。なお、このようなマルチ走査の詳細については後述する。

画像表示領域７０には、上記したように、Ｓ偏光光とＰ偏光光により画像が描画される。そのため、画像表示領域７０であるスクリーンが、例えば、偏光スクリーンであれば、走査線１本ごとに明るさが変化してしまう。そこで、このような場合には、偏光ビームスプリッタ４２と画像表示領域７０との間の光路に配置した位相差板（図示せず）によって、偏光状態を変えても良い。具体的には、１／４波長板を配置し、Ｐ偏光光とＳ偏光光を円偏光に変換する、或いは、一方の光路に１／２波長板を配置し、他方の偏光状態に合致させることが有効である。なお、高解像度化していくと、走査線の数が増えるので、相対的に走査線の幅が狭くなり、Ｐ偏光光とＳ偏光光の明るさの違いが目立たなくなる。

なお、第１主走査ミラー１１と第２主走査ミラー１２はその構成が同じであり、それが持つ共通な機能を述べる場合には、疑義が生じない限り、以降、同一構成の主走査ミラー１０を用いて説明する。同様に、第１副走査ミラー２１と第２副走査ミラー２２はその構成が同じであり、それが持つ共通な機能を述べる場合には、疑義が生じない限り、以降、同一構成の副走査ミラー２０を用いて説明する。

ここで、一旦、図２から図７を用いて、走査部の走査作用の詳細について説明する。

図２は、実施例１による主走査ミラーの要部構成図である。

図２から明らかなように、主走査ミラー１０は、支持体１０７の内側に高反射率の部材で構成されたミラー部１０１が設けられている。支持体１０７とミラー部１０１は、同一軸上にミラー部１０１を挟んで対向して配置されたトーションバネ１０５、１０６で連結されている。ミラー部１０１は、そのミラー面１０１ａに略平行に形成されたコイル１０２を内蔵している。ミラー部１０１の近傍に、トーションバネ１０５、１０６に関して略対称な位置に、それぞれ永久磁石１０３、１０４が設けられている。永久磁石１０３、１０４は、主走査ミラー１０が静止した状態にあるときにミラー面１０１ａと略平行な磁界を生じさせる。コイル１０２に電流を流すと、フレミングの左手の法則によって、ミラー面１０１ａと略垂直な向きのローレンツ力が発生する。

ミラー部１０１は、ローレンツ力と、トーションバネ１０５、１０６の復元力がつりあう位置まで、トーションバネ１０５とトーションバネ１０６とを結ぶ軸（以下、この軸を水平回動軸という）１０ａを中心に回動する。ミラー部１０１が持つ共振周波数でコイル１０２に交流電流を供給することによって、ミラー部１０１は、共振動作を行う。なお、駆動力については、電磁力に限らず、静電力や、圧電素子を用いる構成でも良い。

図３は、実施例１による水平方向走査と垂直方向走査の説明図である。図３（ａ）は、画像表示領域における主走査ミラーの水平方向走査を、副走査ミラーを省略し、さらに光路折り返しを省略して、直線的に表示した、主走査ミラーの水平回動軸に平行な方向から見た上面視図である。図３（ｂ）は、画像表示領域における副走査ミラーの垂直方向走査を、副走査ミラーの回動軸に平行な方向から見た側面視図である。なお、図３において、説明の都合上、各点におけるローカルな直交座標軸を導入する。すなわち、画像表示領域７０における長手方向である水平方向に対応した方向をＸ軸方向、これに直交する短手方向である垂直方向に対応した方向をＹ軸方向、そして、画像表示領域７０の法線方向に対応した方向をＺ軸方向とする。

既に述べたように、主走査ミラー１０で画像表示領域７０における水平方向の走査を、副走査ミラー２０で垂直方向の走査を行う。このとき、水平方向の走査位置（投射位置ともいう）は、数１で得られる。

走査位置Ｘ＝Ｌ・ｔａｎβ…（数１）
ここで、Ｌは主走査ミラー１０と画像表示領域７０との間の距離で、所謂投射距離である。また、角度βは主走査ミラー１０の振り角で、ミラー部１０１にローレンツ力が作用せず、ミラー部１０１の共振振動の振幅が零のときのミラー面（以下、「基準面」という）Ｓ１０１位置を基準として、振動するミラー面１０１ａが基準面Ｓ１０１に対してなす角度をいう。この振り角βは、主走査ミラー１０の法線とＺ軸とがなす角度と等しい。

図４は、主走査ミラーにおける共振振動と水平走査角度の関係を説明する図であり、主走査ミラー１０の振り角βと、主走査ミラー１０の共振振動の位相θの関係を模式的に表した図である。

図４から明らかなように、振り角βは、等間隔ではなく、共振振動に従い変化する。主走査ミラー１０の振り角をβ、回転中心からの距離をｒとし、共振振動の位相をθ、振幅をＡとすると、数２が得られる。

ｒ・ｓｉｎβ＝Ａ・ｓｉｎθ…（数２）
θ＝９０度のときβ＝βmaxとなるので、Ａ＝ｒ・ｓｉｎβmaxを数２に代入して、数３が得られる。

ｓｉｎβ＝（ｓｉｎβmax）ｓｉｎθ…（数３）
そこで、６０インチ、アスペクト比（横縦比）４：３の画像表示領域７０に投射距離Ｌ＝２．９ｍで描画する場合における、共振振動の位相θに対する、共振振動の振幅ｓｉｎθと水平方向の投射位置としてのｔａｎβの数値データを表１に、対応する図を図５から図７に示す。

図５は共振振動の振幅ｓｉｎθを示す図、図６は水平方向の投射位置に係わるｔａｎβを示す図、図７は横軸にｓｉｎθを取り縦軸にｔａｎβ取ってｓｉｎθとｔａｎβの線形性を示す図である。

図５及び図６から明らかなように、水平走査端に相当する振り角βmax＝±１２度での、ｓｉｎθとｔａｎβとも正弦波状の振幅となっている。また、図７から明らかなように、ｓｉｎθとｔａｎβはほぼ線形の関係にあることが分かる。従って、数１から水平方向の走査位置はｓｉｎθに比例するといえ、かつｓｉｎθは数３から共振振動の振幅を表すといえる。その結果、画像表示領域における水平方向の走査位置は共振振動の振幅に比例するといえる。つまり、共振振動の振幅がほぼ水平方向の走査位置を表すことが分かった。

以上述べた走査手法により、第１系統走査部５１と第２系統走査部５２は画像表示領域７０をそれぞれ２次元状に走査できるが、実施例１では、図１のように、第１系統の走査部で走査する例えば奇数走査線（●：Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、…）と、第２系統の走査部で走査する例えば偶数走査線（■：Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８、…）を、交互に走査するように各走査部を駆動する。この走査線の切り換えは、光源部３０から出射するレーザ光を、電気光学変調器４１と偏光ビームスプリッタ４２とで構成される光路切り換え部により、第１系統走査部５１側へ導光するか或は第２系統走査部５２側へ導光するか切り換えることにより、実現することができる。

次に、実施例１の要部である駆動方式の詳細について説明する前に、従来の光走査方式の基本構成と課題について説明を行い、発明者が新たに気付き本発明に至った要点について、図１９から図２１を用いて説明する。

図１９は、水平走査部としての主走査ミラー１０と垂直走査部としての副走査ミラー２０を有した従来方式での光走査装置の光学部９００Ａの基本構成図である。

図１９において、光源部３０から出射したレーザ光は、画像信号に応じて変調作用を行うＡＯＭ６０を経て、水平方向の走査部としての主走査ミラー１０に入射する。そして、主走査ミラー１０で水平方向の走査作用を受けたレーザ光は、垂直方向の走査部としての副走査ミラー２０に入射する。副走査ミラー２０は、ガルバノメータ２００で垂直方向の走査作用を行うように駆動されるので、副走査ミラー２０で垂直方向の走査作用を受けたレーザ光は、画像表示領域７０で２次元状に走査される。特開２００３−２９１８２号公報の図２でも説明されているが、図１９の補助図に示した様に、主走査ミラー１０の振幅は、正弦波状に変化する。例えば、主走査ミラー１０の振幅をｓｉｎθとすれば、−４５度＜θ＜０度、及び０度＜θ＜４５度の位相範囲では、それぞれΔ振幅＝０．７０７（像高の約７割）であり、位相変化に対して線形に近い振幅特性が得られる。しかしながら、４５度＜θ＜９０度、及び、９０度＜θ＜１３５度の位相範囲では、それぞれΔ振幅＝０．２９３で折り返した振幅変化である。ここで、レーザ光を一定間隔で照射した場合、−４５度＜θ＜０度、及び０度＜θ＜４５度の位相範囲では、レーザ光の画像表示領域７０上における照射位置は、前述したように、共振振動の振幅でほぼ表せるので、ほぼ等間隔で変化するが、４５度＜θ＜９０度、及び、９０度＜θ＜１３５度の位相範囲では、レーザ光の投射像の間隔が密となり、画像表示領域７０に明るさムラが生じてしまう。

そこで、線形性に優れた−４５度＜θ＜４５度の位相範囲（往路）のみで走査を行うとすると、４５度＜θ＜１３５度の位相範囲のレーザ光が使用できないので暗くなってしまう。なお、往復で走査を行うので、１８０度後の１３５度＜θ＜２２５度の位相範囲（復路）でも走査を行うが、同様に、２２５度＜θ＜３１５度の位相範囲ではレーザ光を使用できない。即ち、この例では、レーザ光を位相範囲の半分（半分の時間）でしか有効活用できない。

特開２００３−２９１８２号公報では、アークサインレンズに比べて設計が容易なｆ・θレンズ等を用いることでこの課題を解決しているが、ｆ・θレンズも大きさと製造コストの点からは、使用せずに課題を解決したい。

ここで、課題の要点を整理すると、レーザ光を投射して形成する画素サイズを一定の大きさとするために、正弦波の振幅において線形性の良い位相範囲のみを使用したい。しかし、明るさの点からは、全ての位相範囲でレーザ光を有効に活用したい。

この新たな課題を解決する方法として、図１９の補助図で、正弦波の振幅において線形性の良い位相範囲（例えば−４５度＜θ＜４５度，１３５度＜θ＜２２５度）での走査を行った後に、別の正弦波の線形性の良い位相範囲を書き足し（つまり、別の線形性の良い位相範囲の正弦波に置き換え）、その新しい正弦波で走査を行えば、常に、線形性に優れた位相範囲での走査を実現できる。正弦波が位相３６０度ごとに振幅が繰り返される繰返し関数（周期関数）なので、上記した正弦波の置き換えが実現できれば、その繰返しで連続して、線形性に優れた走査を行うことができる。これが、発明者の着目点である。

背景技術で説明しているように、大きな水平走査周波数が必要なので、正弦波の往復でそれぞれ走査を行うことにすると、走査線１本分の走査は、基本的に位相で１８０度となる。この１８０度の位相範囲で、別の正弦波を書き足すのだが、特定の１８０度の範囲だけではなく、繰返し別の正弦波を書き足した様な状態を実現するためには、書き足す（置き換える）正弦波も、同じ周波数で、位相差９０度に決定した。

ところで、特開２００６−２０１２２０号公報において、２次元状の走査領域において、走査終了位置から、瞬時に走査開始位置にレーザ光の走査位置を移動させる技術が開示されている。図２０がそのマルチ走査方式での光走査装置の光学部９００Ｂの基本構成図であり、図２１が制御信号の説明図である。

光源部３０から出射したレーザ光を、回折素子５３で分割し、それぞれ、第１系統走査部５１Ｂと、第２系統走査部５２Ｂにレーザ光を導く。

第１系統走査部５１Ｂにおいて、レーザ光は第１ＡＯＭ６１によって、画像信号に応じて変調される。第１ＡＯＭ６１のパルス信号がＯＮのときにレーザ光は、第１主走査ミラー１１に到達し水平方向の走査作用を、次に、第１副走査ミラー２１で垂直方向の走査作用をそれぞれ受けて、画像表示領域７０に２次元状に走査される。第２系統走査部５２Ｂについても同様である。

この第１系統走査部５１Ｂと第２系統走査部５２Ｂは、図２１に示した様に、第１ＡＯＭ６１のパルス信号がＯＮの時に、第１副走査ミラー２１の走査を行い、逆に、第２ＡＯＭ６２のパルス信号がＯＮの時に、第２副走査ミラー２２の走査を行う方式であり、予め、回折素子でレーザ光を２分割しているので、レーザ光の光量の半分しか使用できない。

従って、レーザ光を分割するのではなく、分岐する技術が必要となる。これに対しては、特開２００６−９５５６６号公報で開示されている「同じ波長の２つのレーザ光を、偏光方向が同じ直線偏光として合成する電気光学変調器」を逆に応用することで、発明者は今回の発明を実現することができた。

以下、本発明の要点の説明する。

図１を用いて先に説明したように、電気光学変調器４１によって、レーザ光をＰ偏光光とＳ偏光光に切り換えることができる。しかしながら、図１のように、Ｐ偏光光とＳ偏光光を、効率的に交互に走査するための工夫が必要である。

先ず、共振振動する第１主走査ミラー１１の振幅Ｘ１と、第２主走査ミラー１２の振幅Ｘ２を、数４と数５で定義する。

Ｘ１＝ｓｉｎθ…（数４）
Ｘ２＝ｓｉｎ（θ−α）…（数５）
ここで、共振振動の往復で走査を行うので、基本の位相は１８０度となる。この１８０度の位相中に、別の振動を加えるのであり、その振動は同じ周波数で、位相差がα＝１８０度／２＝９０度と決定できる。

従って、−α／２＜θ＜α／２の位相範囲を、分割数ｎで割った刻みδ＝α／ｎで補正した点列の走査範囲が数６で得られる。ここで、走査する点列が少ない方が分かり易いので、走査範囲を９分割した例を図８と図９に示す。

−α／２＋δ／２＜θ＜α／２−δ／２ （δ＝α／ｎ）…（数６）
δ＝９０／９＝１０度なので、−４０度＜θ＜４０度、刻み１０度が基本の走査範囲での走査点列となる。刻みδ＝１０度で数４と数５を表した図８において、数４は−４０度＜θ＜４０度の位相範囲で点列がほぼ均等間隔に並んでいるが、５０度＜θ＜１３０度の位相範囲では点列が密に並んでいる。逆に、数５に着目すると、−４０度＜θ＜４０度の位相範囲では点列が密だが、５０度＜θ＜１３０度の位相範囲では点列がほぼ均等間隔に並んでいることが分かる。即ち、数４と数５で、振幅を切り換えることで、常に線形性に優れた位相範囲での走査を実現することができる。

図８から数４と数５で走査に関与する点列のみを抜き出したものが図９である。往路では数４（−４０度＜θ＜４０度）で１走査を行い、続いて数５（５０度＜θ＜１３０度）で次の１走査を行う。そして次に、復路では数４（１４０度＜θ＜２２０度）で１走査を行い、続いて数５（２３０度＜θ＜３１０度）で次の走査を行う。このような走査を逐次行うことで、線形性に優れた走査を実現している様子が分かる。

ここで、図９の位相差αを９０度から９１度に変更した場合の数５の振幅を比較し表２に示す。数４を−４０度＜θ＜４０度の位相範囲で使用し、数５を５０度＜θ＜１３０度の位相範囲で同様に使用する場合、数５の振幅の範囲がずれるが、線形性に優れた位相範囲で使用しているので、９０度からずれた位相差でも適用可能であることがわかる。但し、より線形性に優れた位相範囲を使用すること、第１系統走査部５１と第２系統走査部５２とで位相のみ異なり同じ制御ができることが好ましい。

ここで、実際の解像度ＳＶＧＡ（８００×６００画素）の画像を走査する場合では、δ＝９０／８００≒０．１度なので、−４４．９度＜θ＜４４．９度の位相範囲での走査となる。更に、高解像度した場合（ｎ→∞）でも、−４５度＜θ＜４５度の位相範囲までの走査となる。図１０にその様子を示す。点列数が∞なので、走査範囲を太い線で表した。

水平方向の走査を行う共振ミラーとしては、米国特許第５，４６７，１０４号明細書に、数１０ｋＨｚの周波数のものが開示されている。この水平周波数と解像度の関係について説明する。

垂直周波数６０Ｈｚとして、解像度ＳＶＧＡ（８００×６００画素）の画像を走査するためには、従来の走査方式でも往復で走査すれば、６０×６００／２＝１８ｋＨｚ以上の共振振動の周波数ならば走査が可能である。

これに対して、本発明では、同じ位相範囲で複数の走査を行うマルチ走査方式なので、１８ｋＨｚ／２＝９ｋＨｚ以上の共振周波数であれば走査が可能である。逆に言えば、従来と同じ共振振動の周波数を使用しても、垂直方向の走査線数を２倍にできる、即ち、２倍の高解像度な走査が可能である。

最後に、垂直方向のガルバノメータを用いた走査作用について、図１１を用いて説明する。図１１は、実施例１による垂直走査の説明図である。そして、その（ａ）図は第１副走査ミラーの駆動波形、（ｂ）図は第２副走査ミラーの駆動波形、（ｃ）図は第１副走査ミラーと第２副走査ミラーの駆動波形を併記したものである。

図１１（ａ）のように、第１副走査ミラー２１を階段状の波形で直流駆動することで、太い線の箇所で第１副走査ミラー２１を所定の角度に保持し、その間に、第１主走査ミラー１１による水平方向の走査が行われる。同様に、図１１（ｂ）のように、第２副走査ミラー２２を階段状の波形で直流駆動することで、太い線の箇所で第２副走査ミラー２２を所定の角度に保持し、その間に、第２主走査ミラー１２による水平方向の走査が行われる。

図１１（ｃ）のように、第１副走査ミラー２１の駆動波形と第２副走査ミラー２２の駆動波形は、水平方向の走査線１本分の位相差で、且つ、水平方向の走査線の垂直方向の間隔分だけ振幅が異なっている。なお、図１１では、第１副走査ミラー２１と第２副走査ミラー２２は、それぞれ所定の振幅を与えて、振幅が安定した部分で水平方向の走査を行うようにしているが、太い線は、移動直後で振幅が不安定な状態を避ければ、同じ振幅の中央部分等でも問題ない。また、垂直方向の第１副走査ミラー２１と第２副走査ミラー２２の位相差についても、水平方向の走査線１本分の位相差からずれた位相差でも、互いの水平方向の走査の前に副走査ミラーが間に合えば良い。

また、第１副走査ミラー２１と第２副走査ミラー２２を略鋸歯状（非二等辺三角形）の波形信号で駆動したが、これは、垂直方向の走査を往路のみで行う走査方式に該当する。これに対して、略二等辺三角形状の波形信号で駆動する、即ち、垂直方向も往復で走査を行う方式としても、本発明の効果が得られる。

次に、図１２を用いて、改めて制御方法も含めた動作について説明する。図１２は、実施例１による光走査装置の要部ブロック構成図である。

図１２に示すように、光走査装置９０は、光学部９００と、レーザ制御部９１０と、走査制御部９２０と、偏光制御部９３０と、画像信号９４０とで構成される。

レーザ制御部９１０は、描画制御部９１１と、レーザ変調制御部９１２とを含んでなる。レーザ制御部９１０では、画像信号９４０をもとに描画制御部９１１でＲ，Ｇ，Ｂ等の描画制御を行い、レーザ変調制御部９１２によって、後述する走査制御部９２０からの同期信号に基づき、光学部９００のＡＯＭ６０を制御する。

走査制御部９２０は、駆動波形生成部９２１と、同期信号生成部９２２と、主分波部９２３と、副分波部９２４とを含んでなる。

走査制御部９２０は、駆動波形生成部９２１で生成した駆動波形にもとづき、共振振動で水平方向の位相差制御部としての主分波部９２３と、直流駆動で垂直方向の位相差制御部としての副分波部９２４を制御する。すなわち、主分波部９２３で生成した位相差約９０度の共振振動の波形信号により、第１主走査ミラー１１と第２主走査ミラー１２の水平走査をそれぞれ制御する。また、第１主走査ミラー１１と第２主走査ミラー１２の水平走査に同期させて、副分波部９２４で生成した位相差が水平走査線１本分の直流駆動の波形信号により、第１副走査ミラー２１と第２副走査ミラー２２をそれぞれ制御する。同時に、駆動波形生成部９２１の信号をもとに、同期信号生成部９２２からは、レーザ変調制御部９１２と、偏光制御部９３０へ同期信号が送られる。

同期信号生成部９２２からの同期信号を受けて、レーザ変調制御部９１２は、ＡＯＭ６０に対して変調を行わせる。また、偏光制御部９３０は、電気光学変調器４１に対して光源部３０からの光の偏光状態の切り換え（変換）を制御し、レーザ光の第１系統走査部５１側への導光と、第２系統走査部５２への導光を切り換える。

光学部９００の動作については、既に説明済みなので、ここでは説明を省略する。

以上述べたように、実施例１の光走査装置では、第１主走査ミラー１１と第２主走査ミラー１２の共振振動の位相が約９０度変化する毎に、第１系統走査部５１と前記第２系統走査部５２との間で走査を切り換える構成としている。

これにより、各主走査ミラーの共振振動の振幅が零の時（ローレンツ力が作用してない時）の位相を基準として、線形性のよい位相範囲（例えば−４５度〜４５度、１３５度〜２２５度などの範囲）で、各系統走査部は走査を行うことができる。

従って、従来例と異なり、ひずみのない良好な画像を実現しながら、例えばｆ・θレンズを有する投射光学系を用いないので、光走査装置のサイズを小さくでき、また、コストを低減することができる。

また、実施例１では、光源部からの光を、偏光の性質を利用した、電気光学変調器４１と偏光ビームスプリッタ４２とで構成される光路切り換え部を用いて、交互に前記第１系統走査部側及び前記第２系統走査部側に分岐させる。従って、従来技術とは異なり、光利用効率に優れている。

図１３に、実施例１による光走査装置９０を用いた画像表示装置８０の基本構成を示す。画像信号９４０に基づき、光走査装置９０から出射されたレーザ光は出射窓８５０を通過して、画像表示領域７０へ２次元状に走査される。出射窓８５０は、レーザ光の出射部からホコリなどが入り込み走査ミラーのミラー面へ積もるのを防止するために、ガラス板等の密閉構造になっている。

なお、上記した実施例１では、主走査ミラーと副走査ミラーを分離して配置したが、本発明はこれに限定されるものではない。後述する他の実施例を含めて共通な事項だが、主走査ミラーと副走査ミラーを構造的に一体構造をすることで、光走査装置をより簡単な構造で構成できる。具体的には、高解像度になると水平走査周波数をより大きくする必要がある。そのため、主走査ミラーの共振周波数を大きくするために、主走査ミラーが小さくなれば、主走査ミラーの共振振動構造自体をガルバノメータの振動部に固定することで、主走査部と副走査部との一体構造化が可能となる。

また、例えば、２次元走査が可能なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーを用いることも可能である。垂直方向も共振振動とするとビーム光の軌跡は正弦波状となるが、水平走査線の１本分の走査の間に、垂直方向にその間隔分の移動を行う訳であり、例えば、４×３ｍｍの矩形枠で考えれば、ＳＶＧＡの場合で、ｔａｎ^-1（３／６００／４）＝０．０７度の勾配となる。ここで、ΔＹ＝３／６００の値を基準の縦３ｍｍで規格化して得られるＴＶ歪曲３％は、ＴＶ用途としては大きな値であるが、可搬型ディスプレイとしては適用可能な値である。また、今後、さらに高解像度化（例えば、ＸＧＡで７６８本）することで、このＴＶ歪曲は小さくなるので、垂直方向の副走査部への、共振振動などの振動を利用した駆動は適用可能となる。

また上記の説明において、水平方向と垂直方向の意味は、それぞれ、基本的には画像表示領域での画像の長手方向と短手方向を意味する。この長手方向と短手方向は、一般的には、それぞれ画像の水平方向と垂直方向に対応する。

この説明の意味は、走査部と画像表示領域との間に、光路折り曲げミラーを配置することにより、走査部での走査方向と画像表示領域での走査方向の対応関係を置換することが可能だからである。また、テレビ用途以外のディスプレイ用途によっては、縦長の画像表示領域も存在するからである。

次に、図１４を用いて実施例２について説明する。

図１４は、実施例２によるマルチ走査方式の基本構成図である。実施例１との違いは、副走査ミラーで垂直方向の走査を行ってから、主走査ミラーで水平方向の走査を行う点である。

最初に走査を行う方が走査ミラー面の面積が小さく、後から走査を行う方が走査ミラーの面積が大きくなるので、通常は、高速に振動させる共振振動を行う主走査部を先に配置した方が有利である。しかしながら、走査する解像度性能が低い場合は、共振振動のための共振振動数（固有振動数ともいう）を小さくする必要があるので、共振ミラーをある程度の大きさにする必要があり、この実施例２の構成が適用できる。

次に、図１５を用いて、実施例１の変形例である実施例３について説明する。

図１５は、実施例３による主走査ミラーの配置を説明する図である。その（ａ）図は主走査ミラーの水平回動軸に平行な方向から見た上面視図で、（ｂ）図は（ａ）図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。実施例３では、実施例１の反射ミラー４３を用いずに、Ｐ偏光光とＳ偏光光の進行方向を同じ方向とするための第１主走査ミラー１１と第２主走査ミラー１２の配置を工夫したものである。

図１５において、第１主走査ミラー１１の共振振動の振幅が零のときの基準面と、第２主走査ミラー１２の基準面とのなす角度γを約１３５度とすれば、各主走査ミラーで反射された光線を互いに平行とすることができる。これにより、反射ミラー４３を削除することが可能となり、実施例１に比べ、コストダウンを図ることができる。

次に、図１６から図１８を用いて、実施例４について説明する。

図１６は、実施例４による３分岐の光路切り換え部の要部構成である。

図１６に示すように、実施例４の光路切り換え部は、電気光学変調器４１と偏光ビームスプリッタ４２とからなる実施例１の光路切り換え部を２組備えてなる。すなわち、偏光を利用した光路切り換えを、２段階で行うことで、もとのレーザ光を３つに分岐する構成である。具体的に述べると、最初の光路切り換え部でＳ偏光光とＰ偏光光の光路に分岐させ、さらにＰ偏光光の光路を、次段の光路切り換え部でＳ偏光光とＰ偏光光の光路に分岐させ、結果３つの光路に分岐させるものである。なお、反射ミラー４３は、３つの分岐光路を平行とするためのものである。また、図示はしないが、実施例１と同様に、２組目の偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光方向を９０度変換するために、１／２波長板を設け、高解像度化していくと、走査線の数が増えるので、相対的に走査線の幅が狭くなり、Ｐ偏光光とＳ偏光光の明るさの違いが目立たなくなる。更に、３つに分岐された光路上の各々に１／４は長板を設けても同様の効果が得られることは言うまでもない。

この３分岐した場合における位相差について、図１７を用いて説明する。図１７は、実施例４による水平走査の位相差の説明図である。

実施例１の説明において、２分岐では１８０度を２で割った９０度の位相差であったが、３分岐の場合では１８０度を３で割った６０度の位相差となる。従って、基本となる位相範囲は６０度の半分で±３０度なので、振幅ｓｉｎ３０＝０．５は最大振幅の半分であり、より線形性の良い範囲のみを使用できる。

そこで、投射距離Ｌ＝０．９ｍで６０インチ、アスペクト比４：３の画像表示領域７０の水平走査に相当するβmax＝±３４度での、ｓｉｎθとｔａｎβの関係図を図１８に示す。図１８から明らかなように、図７に比べて、ｓｉｎθとｔａｎβの線形性が劣化しているが、３分岐する実施例４では、使用する振幅が最大振幅の半分（０．５）であり、線形性に優れた範囲での走査ができる。

マルチ走査方式の実施例１を示す光学部の基本構成図である。 実施例１による主走査ミラーの要部構成図である。 実施例１に係わる水平方向走査と垂直方向走査の説明図である。 主走査ミラーにおける共振振動と水平走査角度の関係図である。 共振振動の振幅ｓｉｎθを示す図である。 投射位置の変化図である。 共振振動と水平走査位置の関係図である。 水平走査範囲の奇数９分割の元となる点列の説明図である。 水平走査範囲の奇数９分割での走査点列の説明図である。 水平走査範囲の∞分割での走査点列の概念図である。 実施例１による垂直走査の説明図である。 実施例１による光走査装置の要部ブロック図である。 実施例１による光走査装置および画像表示装置の基本構成図である。 実施例２によるマルチ走査方式の基本構成図である。 実施例３による主走査ミラーの配置を説明する図である。 実施例４による３分岐の要部構成である。 実施例４による水平走査の位相差の説明図である。 実施例４による共振振動と水平走査位置の関係図である。 従来の光走査装置の光学部の基本構成図である。 従来のマルチ走査方式の基本構成図である。 従来のマルチ走査方式での制御信号の説明図である。

符号の説明

１…主走査部、２…副走査部、１０…主走査ミラー、１０ａ…水平回動軸、１１…第１主走査ミラー、１２…第２主走査ミラー、２０…副走査ミラー、２１…第１副走査ミラー、２２…第２副走査ミラー、３０…光源部、４１…電気光学変調器、４２…偏光ビームスプリッタ、４３…反射ミラー、５１…第１系統走査部、５２…第２系統走査部、５３…回折格子、６０…ＡＯＭ、６１…第１ＡＯＭ、６２…第２ＡＯＭ、７０…画像表示領域、８０…画像表示装置、９０…光走査装置、１０１…ミラー部、１０１ａ…ミラー面、Ｓ１０１…基準面、１０２…コイル、１０３、１０４…永久磁石、１０５、１０６…トーションばね、１０７…支持体、２００…ガルバノメータ、２０１…第１ガルバノメータ、２０２…第２ガルバノメータ、８５０…出射窓、９００…光学部、９１０…レーザ制御部、９１１…描画制御部、９１２…レーザ変調制御部、９２０…走査制御部、９２１…駆動波形生成部、９２２…同期信号生成部、９２３…水平方向の分波部（位相差制御部）、９２４…垂直方向の分波部（位相差制御部）、９３０…偏光制御部、９４０…画像信号。

Claims (14)

1. 光をスクリーンに投射する画像表示装置であって、
   光を出射する光源と、
   前記光源からの光を画像信号に応じて光強度変調する音響光学変調器と、
   前記音響光学変調器からの光の偏光方向を第１の偏光方向又は第２の偏光方向に変換する電気光学変調器と、
   前記電気光学変調器からの光のうち、前記第１の偏光方向を有する光を透過し、前記第２の偏光方向を有する光を反射する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタを透過した前記第１の偏光方向を有する光を前記スクリーンの水平方向に走査させる第１の主走査部と、
   前記偏光ビームスプリッタで反射した前記第２の偏光方向を有する光を前記スクリーンの水平方向に走査させる第２の主走査部と、
   前記第１の主走査部が走査する光を前記スクリーンの垂直方向に走査させる第１の副走査部と、
   前記第２の主走査部が走査する光を前記スクリーンの垂直方向に走査させる第２の副走査部と、
   前記第１の主走査部が１回走査された後に、前記光の偏光方向を切り換えるとともに、前記第２の主走査部が１回走査された後に、前記光の偏光方向を切り換えるように前記電気光学変調器を制御する制御部を備えたことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記光源は、半導体レーザ又はＬＥＤであることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記偏光ビームスプリッタと前記第１の副走査部との間、又は前記偏光ビームスプリッタと前記第２の副走査部との間に、光を反射する反射ミラーを配置したことを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記第１の主走査部と前記第２の主走査部の共振振動の振幅が零の場合に、前記第１の主走査部の基準面と前記第２の主走査部の基準面とが成す角度は約１３５度であることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記第１の主走査部の駆動波形と前記第２の主走査部の駆動波形との位相差を約９０度にするとともに、前記第１の主走査部と前記第２の主走査部とを略同じ周波数で駆動させる主分波部を備えたことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項５に記載の画像表示装置であって、
   前記第１の副走査部の駆動波形と前記第２の副走査部の駆動波形との位相差を前記第１又は第２の主走査部が前記水平方向に１回走査する分の位相差で駆動させる副分波部を備えたことを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項６に記載の画像表示装置であって、
   前記第１の副走査部と前記第２の副走査部の各々は、ガルバノメータであることを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記第１の主走査部と前記第１の副走査部は、一体型であるＭＥＭＳミラーであることを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記第２の主走査部と前記第２の副走査部は、一体型であるＭＥＭＳミラーであることを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
    前記偏光ビームスプリッタと前記スクリーンの投射面との間であり、前記第１の偏光方向を有する光の光路上又は前記第２の偏光方向を有する光の光路上の何れかに１／２波長板を配置したことを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
    前記偏光ビームスプリッタと前記スクリーンの投射面との間であり、前記第１の偏光方向を有する光の光路上及び前記第２の偏光方向を有する光の光路上に１／４波長板を配置したことを特徴とする画像表示装置。
12. 光をスクリーンに投射する画像表示装置であって、
    光を出射する光源と、
    前記光源からの光を画像信号に応じて光強度変調する音響光学変調器と、
    前記音響光学変調器からの光の偏光方向を第１の偏光方向又は第２の偏光方向に変換する第１の電気光学変調器と、
    前記第１の電気光学変調器からの光のうち、前記第１の偏光方向を有する光を透過し、前記第２の偏光方向を有する光を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
    前記第１の偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光方向を第１の偏光方向又は第２の偏光方向に変換する第２の電気光学変調器と、
    前記第２の電気光学変調器からの光のうち、前記第１の偏光方向を有する光を透過し、前記第２の偏光方向を有する光を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
    前記第１の偏光ビームスプリッタで反射した前記第２の偏光方向を有する光を前記スクリーンの水平方向に走査させる第１の主走査部と、
    前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１の偏光方向を有する光を前記スクリーンの水平方向に走査させる第２の主走査部と、
    前記第２の偏光ビームスプリッタで反射した前記第２の偏光方向を有する光を前記スクリーンの水平方向に走査させる第３の主走査部と、
    前記第１の主走査部が走査する光を前記スクリーンの垂直方向に走査させる第１の副走査部と、
    前記第２の主走査部が走査する光を前記スクリーンの垂直方向に走査させる第２の副走査部と、
    前記第３の主走査部が走査する光を前記スクリーンの垂直方向に走査させる第３の副走査部と、
    前記第１の主走査部が１回走査された後に、前記光の偏光方向を切り換え、且つ前記第２の主走査部が１回走査された後に、前記光の偏光方向を切り換え、且つ前記第３の主走査部が回走査された後に、前記光の偏光方向を切り換えるように前記第１及び第２の電気光学変調器を制御する制御部を備えたことを特徴とする画像表示装置。
13. 請求項１２に記載の画像表示装置であって、
    前記第１の主走査部の駆動波形と前記第２の主走査部の駆動波形と前記第３の主走査部との各々の位相差を約６０度にするとともに、前記第１、第２及び第３の主走査部を略同じ周波数で駆動させる主分波部を備えたことを特徴とする画像表示装置。
14. 請求項１３に記載の画像表示装置であって、
    前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した光路上に１／２波長板を配置したことを特徴とする画像表示装置。

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