JP2014174359A - 走査型光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】データ転送周期の無用な増加を抑制して光照射タイミングの自由度を向上させることができる走査型光照射装置を提供する。
【解決手段】ビーム光を走査して光照射する走査型光照射装置は、照射データに応じてビーム光を変調出力する光源４ａ，４ｂ，４ｃと、光源のビーム光を２次元走査する偏向素子８と、偏向素子の動作に対応して生成された照射データを第１のタイミングで保持する第１のデータ保持部と、前記第１のデータ保持部に保持された照射データを前記光源を駆動する第２のタイミングで保持する第2のデータ保持部と、を有し、第１のタイミングは等時間間隔であり、第２のタイミングは非等時間間隔であって、前記偏向素子の動作に対応したビーム光の照射位置により決まるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力を変調可能な光源と、前記光源光を２次元走査する偏向素子を用いて、光源光を照射面に照射する走査型光照射装置に関する。

半導体レーザ等の小型で高効率で変調可能なビーム光源を用い、そのビーム光をMEMSミラー等により偏向して２次元走査させて、映像表示をおこなう光照射装置は、小型・省電力な表示装置という点で注目されている。また、この走査型光照射装置は、光線走査した対象物からの反射光を検出することにより対象物の形状・距離を測定するセンサへの応用が考えられている。

例えば、特許文献１には、MEMSミラーを用いてレーザ光をラスタースキャンし画像をスクリーンに投影する画像投影装置が開示されている。より詳細には、特許文献１は、共振動作するMEMSミラーの水平走査のスキャン速度がサインカーブを描いて変化することに着目し、投影画像の照度が均一なるように光源出力を制御する技術が開示されている。

特開2006-343397号公報

特許文献１に記載されている技術によれば、偏向素子を用いて光線の角度を変化させ、その変化に応じて光源の出力を変調させて画像データを表示するので、光線の軌跡上の任意の場所に、所望の光量を照射することが出来る。これにより、プロジェクタ用途での偏向素子や光学システムが原因で発生する歪、さらには、投写対象物の形状による歪を補正する際にも有利となる。また、特許文献１に記載されている技術をセンサに適用した場合には、対象物の測定位置精度の向上に有利となる。

しかしながら、上記の技術は、光線を任意の場所に照射するために、より高速に光源の変調を行なう必要がある。このため、光源へのデータ転送レートの増大を招き、その結果データ処理部での消費電力増大、さらには光源ドライバでの消費電力増大を招く問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、データ転送周期の無用な増加を抑制して光照射タイミングの自由度を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために本願発明の走査型光照射装置は、光源ドライバの駆動タイミングを、光源の駆動データの転送タイミングとは非同期にして、光源より照射する開始時刻および照射期間の設定自由度を向上させるようにした。

さらに詳細にいえば、本願発明のビーム光を走査して光照射する走査型光照射装置は、照射データに応じてビーム光を変調出力する光源と、前記光源のビーム光を２次元走査する偏向素子と、前記偏向素子の動作に対応して生成された照射データを第１のタイミングで保持する第１のデータ保持部と、前記第１のデータ保持部に保持された照射データを前記光源を駆動する第２のタイミングで保持する第2のデータ保持部と、を有し、第１のタイミングは等時間間隔であり、第２のタイミングは非等時間間隔であって、前記偏向素子の動作に対応したビーム光の照射位置により決まるようにした。

本発明によれば、光源ドライバへの無用な転送レート増大を抑制し、光照射タイミングの自由度を向上させることが可能となるので、簡易に高精度なレーザ照射をおこなう走査型光照射装置を提供することができる。

実施例１の全体構成を示す図である。 実施例１のデータ変換部2の構成を示す図である。 実施例１の制御動作タイミングを示す図である。 実施例２の全体構成を示す図である。 実施例２のデータ変換部2の構成を示す図である。 実施例２の制御動作タイミングを示す図である。 実施例３の全体構成を示す図である。 実施例３のデータ変換部2の構成を示す図である。 実施例４のデータ変換部2の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本実施例の光照射装置の構成図の例である。本実施例の光照射装置は、データ生成部1、データ変換部2、複数の光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）、複数の光源（光源１(4a),光源２(4b),光源３(4c)）、偏向素子制御部6、偏向素子ドライバ7、偏向素子8および光学素子群5により構成される。

データ生成部1は、MEMSミラー等の偏向素子8の走査動作を制御する偏向素子制御部6と同期して、本装置にて照射すべき光線情報を生成する。例えば、本装置を画像表示に利用する場合には、前記データ生成部1にて生成するデータは、外部より入力された画像データを元に生成する場合と、自身にて生成する画像データを元に生成する場合がある。

データ変換部2は、前記データ生成部1にて生成され、伝送されたデータを前記複数の光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）・光源（光源１(4a),光源２(4b),光源３(4c)）に対応するように、変換するものである。光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）は、前記データ変換部2にて変換されたデータに基づき光源を駆動する。

ここで、実施例の光照射装置は、R・G・Bの３色の半導体レーザ等の光源（光源１(4a),光源２(4b),光源３(4c)）から成り、それぞれの光源を光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）により駆動する場合を示しているがこれに限定されるものではない。

偏向素子制御部6は、前記データ生成部1と同期した偏向素子8の動作させるための基準信号を生成する。偏向素子ドライバ7では、前記偏向素子制御部6により生成された基準信号を元に、偏向素子8を２次元走査駆動する。ここで、偏向素子8の２次元走査は、例えば、水平走査方向はミラーが共振動作するように駆動され、垂直走査方向はミラーが非共振動作で駆動する。

前記光源により発せられたビーム光はダイクロミラーやコリメータレンズ等の光学素子から成る光学素子群によりひとつのビーム光に合成されて偏向素子8へ導かれる。そして、上述のように偏向素子8により光線方向が偏向され、所望の方向へ、所望の強度の光線を照射する。

つぎに、図２と図３により、照射データの出力タイミング制御を説明する。実施例の構成により出力タイミングを制御することで、共振動作する偏向素子8の走査ビーム位置を制御することができる。具体的には、偏向素子8をMEMSミラーとした場合には、MEMSミラー共振の走査端では走査速度が低下するため、出力タイミング間隔が長くなるようにする。これにより、走査ビーム位置の間隔を照射角度によらずに、一定にすることができる。

上述のビーム走査速度の変化は、MEMSミラーが共振駆動していることにより生じるものであるが、照射距離の変化によっても生じる。実施例の光照射装置では、偏向素子8から所定の放射角で走査ビームが出力されるため、面照射面の央部と端部では走査ビームの照射距離が異なる。照射面の央部で照射距離が最短となり、照射面の端部に向かって照射距離が長くなる。このため、照射面の端部に向かって走査ビームの走査速度が速くなり、走査ビーム位置の間隔が長くなる。このため、偏向素子8が非共振動作している垂直方向についても、出力タイミングを制御するようにする。

上述の照射距離の変化は、照射面の傾きによっても生じるため、照射面までの照射距離を測定して出力タイミングを制御するようにしてもよい。照射距離が長い位置では、出力タイミング間隔が短くなるようにする。

図２は、図１のデータ変換部2の概要を示す構成図である。データ変換部2では、データ生成部1において生成された照射データを、シフトレジスタにより、転送クロックに同期して順次転送することで、光源の数に応じて並列化されるとともに、等間隔に照射データが生成される。

さらに、データ変換部2では、ラッチ信号により、ラッチレジスタにより前記シフトレジスタからのデータを保持、出力する。このラッチ信号のタイミングを変えることで、出力タイミングを制御する。図３によりその動作タイミングを説明する。なお、図２では、ラッチ信号を転送クロックで同期する構成を示しているが、ラッチ信号が転送クロックに同期した信号であれば、このラッチ信号の同期化は不要となる。

図３は、本実施例の光照射装置において、偏向素子8の動作に同期した基準入力データと、前記基準入力データを元にデータ生成部1により生成される信号動作と、照射データの関係を示すタイミングチャートの一例である。ここでは、本実施例の特徴をより分かりやすくするために、基準入力データのデータ変化周期を、転送クロック×光源数の倍数により決まるタイミングとは異なるようにしている。

本実施例によれは、例えば、照射面での走査ビーム間隔が一定になるように、ラッチ信号を非等間隔で発生させ、前記ラッチ信号に同期し、同時刻において照射すべきデータを生成する事により、光源より照射する開始時刻および照射期間の設定自由度を向上させることができる。前記基準入力データが、偏向素子8の動作に同期していることから、光照射方向の自由度を向上させることができる。

なお本実施例では、データ生成部1、データ変換部2、光源ドライバ、偏向素子制御部6、偏向素子ドライバ7を分割して表現しているが、これらは、同一IC内に実現されていても、また、その一部が単一のICとして実現されていても構わない。

本実施例では、等時間間隔を含む所定時間間隔にて送出されるラッチ信号と、それに同期した生成データを送出するようなデータ生成部２(9)を用いる場合の例について、図４により説明する。図４は本実施例の構成を表す図である。本実施例の光照射装置は、前記のように、所定時間間隔にてラッチ信号が送出され、それに同期した生成データが送出されるデータ生成部２(9)、データタイミング補正部10、データ変換部2、複数の光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）、複数の光源（光源１(4a),光源２(4b),光源３(4c)）、偏向素子制御部6、偏向素子ドライバ7、偏向素子8および光学素子群5により構成される。以下に、データタイミング補正部10について詳細に説明する。

データ変換部2は、前記データ生成部1にて生成され、伝送されたデータを前記複数の光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）・光源（光源１(4a),光源２(4b),光源３(4c)）に対応するように、変換するものである。光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）は、前記データ変換部2にて変換されたデータに基づき光源を駆動する。

ここで、実施例の光照射装置は、R・G・Bの３色の半導体レーザ等の光源（光源１(4a),光源２(4b),光源３(4c)）から成り、それぞれの光源を光源ドライバ（光源ドライバ１(3a), 光源ドライバ２(3b), 光源ドライバ３(3c)）により駆動する場合を示しているがこれに限定されるものではない。

偏向素子制御部6は、前記データ生成部1と同期した偏向素子8の動作させるための基準信号を生成する。偏向素子ドライバ7では、前記偏向素子制御部6により生成された基準信号を元に、偏向素子8を２次元走査駆動する。ここで、偏向素子8の２次元走査は、例えば、水平走査方向はミラーが共振動作するように駆動され、垂直走査方向はミラーが非共振動作で駆動する。

図５は、データタイミング補正部10の内部構成の一例を示す図である。データタイミング補正部10は、内部デコード部とカウンタ部とラッチ信号生成部とデータエンコード部とから構成される。
内部デコード部は、データ生成部２(9)により送出された入力データを入力ラッチ信号に基づいてラッチし、入力データをデコードする。
カウンタ部は、転送クロックをカウントする。この際、カウンタ部は、前記偏光素子制御部により生成される、一ラインの開始タイミングを示す同期信号および/もしくは一画面の開始タイミングを示す同期信号によりリセットされる。
ラッチ信号生成部は、前記カウンタ部のカウンタ値が入力され、所定の基準データタイミングに基づき、ラッチ信号を生成する。
データエンコード部は、ラッチ信号生成部で生成されたラッチ信号により、内部デコード部のデコーダしたデータをラッチする。

図６は、データタイミング補正部10が受け取る転送クロック、データ生成部1２により送出されるラッチ信号、データ生成部1２により送出される生成データ、さらにデータタイミング補正部10にて生成される内部デコードデータ、ラッチ信号および変換データの動作を示すタイミングチャートである。

ここで、内部デコーダ部とデータエンコーダ部は、入力ラッチ信号とラッチ信号生成部で生成したラッチ信号に基づいて、データの一時保持をおこなう。このように２重ラッチ構造をとることにより、所定の時間間隔のラッチ信号に同期したタイミングでデータを送出することができる。

本実施例によれば、非等間隔なラッチ信号とそれに同期したデータを生成する機能を有しないデータ生成部1２を持つような制御ＩＣを用いた場合においても、高精度な位置精度を実現する事ができる。

なお、本実施例における、構成要素は、単一のＩＣとして実現しても、複数のＩＣにより構成しても構わない。

つぎに、偏向素子8の偏向角度が正弦波状に変化する共振動作をおこなうMEMSミラーに特有の実施例について、図７、図８により説明する。図７は、実施例の構成を示す図であり、図４に示す実施例とは、データ生成部３(11)とデータ変換部12の構成が異なる。図８は、データ変換部12の構成を詳細にしめす構成図である。

図８にしめす本実施例のデータ変換部12は、正弦波状に変位する偏向素子8の動作に対応して、画像アドレスデータを生成する。これを実現するために、データ変換部12は、アドレスカウンターと正弦波変換部と歪補正部とスケーリング部と画像データ生成部とから成る。

アドレスカウンターは、偏光素子の動作に合わせてカウント値を計数する。
正弦波変換部は、前記アドレスカウンターのカウンタ値から正弦波様のデータに変換する。
歪補正部は、前記正弦波変換部による変換された正弦波データを元に、投写面の形状による歪を補正する。
スケーリング部は、前記歪補正部により生成された歪補正データを所望の画像データ数に変換し、画像アドレスデータを生成する。
画像データ生成部は、前記画像アドレスデータを元に、基準入力データを生成する。

本実施例によれば、前記正弦波データが同一値の間に偏向素子8の角度が変化する量は一定となる。また歪補正データは、投写面の形状に合わせた変換を行う事から、歪補正データが同一値の間の光点の移動量は一定となる。前記アドレスデータに基づき別に格納した、画像データを読み出す事で、一画素が等間隔となる表示が可能となる。

上記の実施例は、いずれも、光源ドライバの駆動タイミングを、光源の駆動データの転送タイミングとは非同期にして、光源より照射する開始時刻および照射期間の設定自由度を向上させるようにしたものである。しかし、本発明の構成は、照射タイミングの補正だけでなく、以下の補正にも適用可能な構成となっている。

本発明が適用可能な光照射装置は、図１の光源１・光源２・光源３の３光源の光源光を合成してビーム光とし、このビーム光を偏向素子8により走査する装置である。光源１・光源２・光源３の光軸は一致あるいは所定の位置関係を満たすように設定されるが、前記光学素子群の組立精度や温度変動による部品移動などから前記所望の角度からずれる場合がある。このような現象は、解像度低下等の精度低下につながる。

本実施例は、実施例３のデータタイミング補正部10の構成を一部変更して、上記の現象を解消するものである。本実施例は、図９に示すように、図８のデータタイミング補正部10のスケーリング部の後段に、光源１、光源２、光源３の光線角度補正量に相当するアドレス差を与えるアドレス補正部を設けるようにする。このとき、光源１、光源２、光源３用にそれぞれ異なったアドレス補正部を設け、アドレスに対応する画像データを読み出す。

本実施例によれば、前記正弦波変換部および前記歪補正部により等間隔とされた一画素を単位として光源１、光源２、光源３の画像データ生成タイミングを補正する。よって画面全領域にわたって等量の補正が可能となる。

また、本実施例において、前記スケーリング部により画像データのアドレスに変換する際に元画像の２倍以上の解像度としてアップコンバートする画像アドレスデータとすることで、元画像の画素よりも細かい単位での光源１から３の角度ずれの調整が可能となる。

１…データ生成部、２…データ変換部、３a, ３b, ３c…光源ドライバ、
４a, ４b, ４c…光源、５…光学素子群、６…偏向素子制御部、７…偏向素子ドライバ、
８…偏向素子

Claims (12)

1. ビーム光を走査して光照射する光照射装置において、
   照射データに応じてビーム光を変調出力する光源と、
   前記光源のビーム光を２次元走査する偏向素子と、
   前記偏向素子の動作に対応して生成された照射データを第１のタイミングで保持する第１のデータ保持部と、
   前記第１のデータ保持部に保持された照射データを前記光源を駆動する第２のタイミングで保持する第2のデータ保持部と、を有し、
   第１のタイミングは等時間間隔であり、
   第２のタイミングは非等時間間隔であって、前記偏向素子の動作に対応したビーム光の照射位置により決まる
   ことを特徴とする光照射装置。
2. 請求項１に記載の光照射装置において、
   前記第１のデータ保持部はシフトレジスタであり、
   前記第２のデータ保持部はラッチレジスタである
   ことを特徴とする光照射装置。
3. 請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の光照射装置において、
   所定のカウント値を判定し前記第2のタイミングを管理するカウンタを有し、
   前記カウンタは、走査の一ラインの開始タイミングあるいは一画面の開始タイミングでリセットされることを特徴とする光照射装置。
4. 偏向素子制御部と同期し、照射すべき光線情報を生成するデータ生成部と、
   前記データ生成部にて生成され、伝送されたデータを複数の光源ドライバ・光源に対応するように変換するデータ変換部と、
   前記データ変換部にて変換されたデータに基づき少なくとも２個以上の光源を駆動する、それぞれの光源に対応した光源ドライバと、
   前記光源により発生した光を光線状にし、偏向素子に導く光学素子群と、
   前記データ生成部を同期させ、偏向素子の動作させるための基準信号を生成する偏向素子制御部と、
   前記偏向素子制御部により生成された基準信号を元に、偏向素子を駆動する偏向素子ドライバと、を備え、
   前記データ生成部では、ラッチ信号を非等間隔で発生させ、前記ラッチ信号に同期し、同時刻において前記光源の照射すべき照射データを生成し、データ変換部において、前記ラッチ信号のタイミングにおいて前記照射データを前記光源ドライバに転送し、光源を駆動することを特徴とする光照射装置。
5. 請求項４に記載の光照射装置において、
   前記データ変換部は、データ生成部において生成された照射データを、シフトレジスタにより、転送クロックに同期して順次転送し、さらにラッチ信号により、ラッチレジスタによりデータを保持出力することを特徴とする光照射装置。
6. 光照射装置において、
   偏向素子制御部と同期し、照射すべき光線情報を生成するデータ生成部と、
   前記データ生成部にて生成され、伝送されたデータを所望のデータタイミングに補正するデータタイミング補正部と、
   複数の光源ドライバ・光源に対応するように変換するデータ変換部と、
   前記データ変換部にて変換されたデータに基づき少なくとも２個以上の光源を駆動する、それぞれの光源に対応した光源ドライバと、
   前記光源により発生した光を光線状にし、偏向素子に導く光学素子群と、
   前記データ生成部を同期させ、偏向素子の動作させるための基準信号を生成する偏向素子制御部と、
   前記偏向素子制御部により生成された基準信号を元に、偏向素子を駆動する前偏向素子ドライバとを有し、
   前記データ生成部では、ラッチ信号を等間隔で発生させ、前記ラッチ信号に同期し、同時刻において前記光源の照射すべき照射基準データを生成し、前記データタイミング補正部において、非等間隔の非等間隔ラッチ信号を生成し、前記照射基準データを元に、前記非等間隔ラッチ信号に同期し照射データを生成し、データ変換部において、前記ラッチ信号のタイミングにおいて前記照射データを前記光源ドライバに転送し、光源を駆動することを特徴とする光照射装置。
7. 請求項６に記載の光照射装置において、
   前記データ変換部は、データ生成部において生成された照射データを、シフトレジスタにより、転送クロックに同期して順次転送し、さらにラッチ信号により、ラッチレジスタによりデータを保持出力することを特徴とする光照射装置。
8. 請求項６あるいは請求項７のいずれかに記載の光照射装置において、
   前記データタイミング補正部は、受け取った入力データを入力ラッチ信号に基づき、デコードする内部デコード部と、転送クロックによりカウントするカウンターと、前記カウンター値を入力として、あらかじめ取得し、設定した基準データタイミングに基づき、ラッチ信号を生成する、ラッチ信号生成部と、前記ラッチ信号に同期し、データ信号を生成するデータエンコード部を有することを特徴とする光照射装置。
9. 光照射装置において、
   偏向素子制御部と同期し、照射すべき光線情報を生成するデータ生成部と、
   前記データ生成部にて生成され、伝送されたデータを複数の光源ドライバ・光源に対応するように変換するデータ変換部と、
   前記データ変換部にて変換されたデータに基づき少なくとも２個以上の光源を駆動する、それぞれの光源に対応した光源ドライバと、
   前記光源により発生した光を光線状にし、偏向素子に導く光学素子群と、
   前記データ生成部を同期させ、偏向素子の動作させるための基準信号を生成する偏向素子制御部と、
   前記偏向素子制御部により生成された基準信号を元に、偏向素子を共振条件により駆動する前記偏向素子ドライバと、を備え、
   前記データ生成部は、偏光素子の動作に合わせてカウントするアドレスカウンタと、同アドレスカウンタのカウンタ値から正弦波様のデータに変換する正弦波変換部と、前記正弦波変換部による変換された正弦波データを元に、投写面の形状による歪を補正する歪補正部と、前記歪補正部により生成された歪補正データを所望の画像データ数を持つ、画像アドレスデータに変換するスケーリング部と、前記画像アドレスデータを元に基準データを生成する画像データ生成部とから成り、
   前記データ生成部では、ラッチ信号を非等間隔で発生させ、前記ラッチ信号に同期し、同時刻において前記光源の照射すべき照射データを生成し、データ変換部において、前記ラッチ信号のタイミングにおいて前記照射データを前記光源ドライバに転送し、光源を駆動することを特徴とする光照射装置。
10. 請求項９記載の光照射装置において、
    前記データ変換部は、データ生成部において生成された照射データを、シフトレジスタにより、転送クロックに同期して順次転送する。さらにラッチ信号により、ラッチレジスタによりデータを保持出力する事を特徴とする光照射装置。
11. 請求項９あるいは請求項１０のいずれかに記載の光照射装置において、
    前記データタイミング補正部は、スケーリング部の後段に、複数の光源の光線角度補正量に相当するアドレス差を与えるアドレス補正部を有することを特徴とする光照射装置。
12. 請求項９から１１のいずれかに記載の光照射装置において、
    前記スケーリング部により画像データのアドレスに変換する際に元画像の２倍以上の解像度としてアップコンバートする画像アドレスデータとすることを特徴とする光照射装置。

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