JP2020190672A - 光学デバイス、光学デバイスの制御方法、および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精細、かつ、安定した画像品質の投射画像が得られる光学デバイスを提供すること。【解決手段】入射した映像光を、映像光の入射角度に応じて屈折させて出射する光学部、および光学部を支持する保持部を含む可動部と、可動部を揺動させるアクチュエーターと、アクチュエーターにカップリングコンデンサー、およびアンプを介して駆動信号を印加する駆動回路と、を有する光学デバイスの制御方法であって、中間電位の電圧Ｖｂを第１の時間印加してから、第２の電圧Ｖｃを上底とし、第３の電圧Ｖａを下底とする台形波を印加することを特徴とする。【選択図】図８Ａ

Description

本発明は、光学デバイス、光学デバイスの制御方法、および光学デバイスを備えた画像表示装置に関する。

従来、液晶パネル等の光変調装置の解像度よりも投射される画像の解像度を高くするために、光変調装置から出射された映像光の軸をずらす技術が知られていた。
例えば、特許文献１の投射型表示装置では、映像光の光軸を１／２画素ずらすための光路変更板を備えていた。詳しくは、光路変更板をプラス側に所定角度傾けた状態と、マイナス側に所定角度傾けた状態とを反復するように駆動制御することで、投射画像の解像度を高めていた。この際、画像品質を確保するためには、プラス／マイナスの所定角度状態における維持時間を長くする必要があるため、特許文献１では、光路変更板を駆動するための駆動信号に工夫をしていた。詳しくは、駆動信号における低電位と高電位とを切り替える間の信号波形を正弦波とすることで、電流を正負に変動させていた（図８参照）。なお、当該駆動信号は、図８の波形図からすると、正弦波の高電位側の最大振幅を基準電位としているものと推測される。

しかし、特許文献１の駆動方法では、正弦波部分の影響で光路変更板が一瞬逆側に振れてしまうため、映像光がぶれてしまうという問題があった。この問題を鑑み、発明者等は、特許文献２の画像表示装置のように、駆動信号として台形波を用いることを提案している。これによれば、低電位と高電位とを切り替える際に、正負の変動は生じない。

特開２０１１−１５８５８９号公報 特開２０１６−７１２３２号公報

しかしながら、特許文献２の台形波による駆動信号を用いることで、特許文献１の駆動信号よりも、ぶれの少ない高品質な画像を得ることが可能となったが、駆動信号の基準電位については考慮されていなかった。
例えば、特許文献１のように高電位基準の駆動信号を用いた場合、ＤＡコンバーターを含む波形生成回路からの信号をアンプで増幅する際に、アンプ前段のカップリングコンデンサーと、アンプの入力インピーダンスによる過渡応答時間の間、直流バイアスの影響により、光路変更板の動作に偏りが発生してしまうという課題があった。この現象は、台形波の駆動信号を用いた場合でも、同様に発生するため、光路変更板の動作の偏りにより、画像品質が劣化してしまうという課題があった。

上記の課題を解決するために、本願の光学デバイスの制御方法は、入射した映像光を、映像光の入射角度に応じて屈折させて出射する光学部、および光学部を支持する保持部を含む可動部と、可動部を揺動させるアクチュエーターと、アクチュエーターにカップリングコンデンサー、およびアンプを介して駆動信号を印加する駆動回路と、を有する光学デバイスの制御方法であって、アクチュエーターに第１の電圧を第１の時間印加してから、第２の電圧と第３の電圧とを、周期的に印加して可動部を揺動させること、を含み、第２の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最大の電圧であり、第３の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最小の電圧であり、第１の電圧は、第２の電圧と第３の電圧の中間値の電圧であることを特徴とする。

上記光学デバイスの制御方法において、カップリングコンデンサーの容量と、アンプの入力インピーダンスを含む抵抗との時定数をτとした時に、第１の時間は時定数τの３倍以上の時間であることが好ましい。

上記光学デバイスの制御方法では、駆動信号によるアクチュエーターの駆動を終了した後、または、アクチュエーターの駆動を待機している状態において、アクチュエーターに第１の電圧を印加することが好ましい。

上記光学デバイスの制御方法において、アクチュエーターに周期的に印加される信号波形は、第２の電圧を上底とし、第３の電圧を下底とする台形波であることが好ましい。

本願の光学デバイスは、入射した映像光を、映像光の入射角度に応じて屈折させて出射する光学部、および光学部を支持する保持部を含む可動部と、可動部を揺動させるアクチュエーターと、アクチュエーターに駆動信号を印加する駆動回路と、を有し、駆動回路は、カップリングコンデンサー、およびアンプを介してアクチュエーターに駆動信号を印加し、駆動回路は、アクチュエーターに第１の電圧を第１の時間だけ印加してから、第２の電圧と第３の電圧を周期的に印加して可動部を揺動させ、第２の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最大の電圧であり、第３の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最小の電圧であり、第１の電圧は、第２の電圧と第３の電圧の中間値の電圧であることを特徴とする。

本願の画像表示装置は、上記光学デバイスと、光学デバイスから出射される映像光を拡大投射する投射光学系とを、備えることを特徴とする。

実施形態に係るプロジェクターの概略構成図。 映像光の画素ずらしによる画像表示位置のシフト状態図。 プロジェクターの電気的な構成を示す回路ブロック図。 駆動回路の回路ブロック図。 光路シフトデバイスの斜視図。 光路シフトデバイスの平面図。 図６のＡ−Ａ部の断面図。 駆動信号と光路シフトデバイスの軌跡を示す図。 図８Ａの時間軸を伸長した図。 従来の駆動信号と光路シフトデバイスの軌跡を示す図。 図９Ａの時間軸を伸長した図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部位を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部位の縮尺を実際とは異ならしめている。

実施形態
１）プロジェクターの概要
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学的な構成を示す説明図である。まず、本実施形態に係るプロジェクター１の構成について説明する。

画像表示装置としてのプロジェクター１は、ＬＣＤ方式のプロジェクターである。プロジェクター１は、外部から入力される映像信号に基づき、スクリーン１０１に映像を表示する装置である。プロジェクター１は、光源１０２、ミラー１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ、ダイクロイックミラー１０６ａ，１０６ｂ、液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂと、ダイクロイックプリズム１１０、光路シフトデバイス２、投射光学系１１２などから構成されている。

光源１０２としては、例えば、ハロゲンランプ、水銀ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー光源等が挙げられる。また、光源１０２としては、白色光が出射するものが用いられる。光源１０２から出射された光は、例えば、ダイクロイックミラー１０６ａによって赤色光（Ｒ）とその他の光とに分離される。赤色光は、ミラー１０４ａで反射された後、液晶表示素子１０８Ｒに入射する。その他の光は、ダイクロイックミラー１０６ｂによってさらに緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）とに分離される。緑色光は、ダイクロイックミラー１０６ｂで反射した後、液晶表示素子１０８Ｇに入射する。青色光は、ダイクロイックミラー１０６ｂを透過した後、ミラー１０４ｂ，１０４ｃで反射した後、液晶表示素子１０８Ｂに入射する。

液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂは、それぞれ、空間光変調器として用いられる。これらの液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂは、それぞれＲ，Ｇ，Ｂの光の三原色に対応する透過型の空間光変調器であり、例えば縦１０８０行、横１９２０列のマトリクス状に配列した画素を備える。各画素では、入射光に対する透過光の光量が調整され、各液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂにおいて全画素の光量分布が協調制御される。このような液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂによってそれぞれ空間的に変調された光は、ダイクロイックプリズム１１０で合成され、ダイクロイックプリズム１１０からフルカラーの映像光ＬＬとして出射される。そして、出射された映像光ＬＬは、光路シフトデバイス２を経由した後、投射光学系１１２によって拡大されてスクリーン１０１に投射される。

光学デバイスとしての光路シフトデバイス２は、ダイクロイックプリズム１１０と投射光学系１１２との間に配置されている。プロジェクター１は、光路シフトデバイス２によって映像光ＬＬの光路を入射角度に応じてシフトさせることにより、液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂの解像度よりも高い解像度の画像をスクリーン１０１に投射する。例えば、液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂがフルハイビジョンであれば、４Ｋの画像を表示する。なお、光路シフトのことを「画素ずらし」ともいう。

２）画素ずらしの概要
図２は、映像光の画素ずらしによる画像表示位置のシフト状態を示す図である。
ここでは、画素ずらしによる高解像度化の原理について図２を用いて説明する。
光路シフトデバイス２は、映像光ＬＬを透過させる光学部としての光路変更板３０（図５）を有しており、透光性の板状部材である光路変更板３０の姿勢を変更することで、屈折を利用して映像光ＬＬの光路をシフトさせる。

プロジェクター１は、このような光路のシフトを利用して、映像光ＬＬの光路を一方側にシフトさせた場合の画像表示位置Ｐ１と、映像光ＬＬの光路を他方側にシフトさせた場合の画像表示位置Ｐ２とに交互に画像を表示する。画像表示位置Ｐ１，Ｐ２は、スクリーン１０１上で画素Ｐｘの対角方向Ｋに半画素分ずれた位置である。なお、半画素とは、画素Ｐｘの半分のことである。このような画素ずらしを行うことにより、見かけ上の画素が増加し、スクリーン１０１に投影される画像を高解像度化することができる。なお、画像表示位置Ｐ１，Ｐ２のずれ量としては、半画素分に限定されず、例えば、画素Ｐｘの１／４であってもよいし、３／４であってもよい。また、斜めにずらすことに限定するものではなく、上下方向や、左右方向にずらすことでも良い。上下、左右方向であっても、投射画像を高解像度化することができる。

３）回路ブロック構成
図３は、プロジェクターの電気的な構成を示す回路ブロック図である。
プロジェクター１は、制御回路１２０、画像信号処理回路１２１、駆動回路１２２などから構成されている。
制御回路１２０は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂに対するデータ信号の書き込み動作、光路シフトデバイス２における光路シフト動作、画像信号処理回路１２１におけるデータ信号の発生動作を含むプロジェクター１の動作を制御する。制御回路１２０には、不揮発性メモリー、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成された記憶部１２０ｍが附属しており、記憶部１２０ｍには、駆動信号ＤＳの駆動波形データや、プロジェクター１の動作を制御するための様々なプログラムおよび付随するデータが記憶されている。

画像信号処理回路１２１は、外部装置から供給される画像信号ＶｉｄをＲ，Ｇ，Ｂの光の三原色ごとに分離するとともに、それぞれの液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂの動作に適したデータ信号Ｒｖ，Ｇｖ，Ｂｖに変換する。変換されたデータ信号Ｒｖ，Ｇｖ，Ｂｖは、それぞれ液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂに供給され、それに基づいて液晶表示素子１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂが表示駆動される。画像信号処理回路１２１は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の回路によって構成されてもよい。
駆動回路１２２は、光路シフトデバイス２を駆動するための駆動信号ＤＳを生成する回路である。駆動回路１２２は、画像信号処理回路１２１から入力される同期信号ＳＡに基づいて、駆動信号ＤＳを生成し、光路シフトデバイス２に供給する。駆動回路１２２は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の回路によって構成されてもよい。

図４は、駆動回路の回路ブロック図である。
駆動回路１２２は、波形生成部１３１、ゲイン調整部１３２、増幅部１３３などを備え、これらによって駆動信号ＤＳの生成、および駆動信号ＤＳの波形調整を行う。
波形生成部１３１は、Ｄ／Ａコンバーターを備えており、画像に同期した矩形状の同期信号ＳＡに基づいて、台形状の駆動信号を生成する。具体的には、同期信号ＳＡをトリガーとして、記憶部１２０ｍのデジタルデータからなる駆動波形データをＤ／Ａコンバーターでアナログ信号に変換して出力する。このように、Ｄ／Ａコンバーターを使うことにより、変換クロック周波数を変えることで、台形波など、所望の波形を生成することができる。詳しくは、駆動波形データを変更することにより、矩形波、正弦波、台形波や、これらの波形を組み合せた波形も生成できる。また、後述する中間電位も生成することができる。

ゲイン調整部１３２は、デジタルポテンショメータを備えており、波形生成部１３１が生成した台形状の信号の振幅を調整し、駆動信号ＤＫとして出力する。駆動信号ＤＫは、増幅前のひな形となるベース駆動信号である。好適例において、ゲイン調整部１３２は、インターフェースとしてＩ²Ｃバスを備えており、制御回路１２０からの制御信号で電気的に抵抗値を変更可能な構成となっている。
ゲイン調整部１３２と、増幅部１３３との間には、インターフェース回路が設けられている。インターフェース回路は、コンデンサーＣ、抵抗Ｒなどから構成されている。コンデンサーＣの一端はゲイン調整部１３２の出力部と接続し、他端は増幅部１３３のオペアンプＯＰに接続している。抵抗Ｒの一端はコンデンサーＣの他端と接続し、他端はグランド電位に接続されている。
増幅部１３３は、アンプとしてのオペアンプＯＰを備えており、インターフェース回路を介して入力される信号を増幅し、駆動信号ＤＳとして光路シフトデバイス２のアクチュエーター６に供給する。なお、増幅部１３３は、好適例としてオペアンプＯＰを用いた非反転増幅回路を採用しているが、入力信号を駆動信号ＤＳとして増幅可能な回路であれば他の増幅回路を用いても良い。

ここで、インターフェース回路における抵抗Ｒの抵抗値をＲ、コンデンサーＣの容量をＣとした場合、この回路構成における時定数τはＲ×Ｃと考えられるが、実際は異なっている。詳しくは、抵抗Ｒだけではなく、オペアンプＯＰの入力インピーダンスも考慮する必要があるからである。
このため、本明細書では、時定数を決める抵抗値は、抵抗Ｒと、当該入力インピーダンスとを複合した抵抗値Ｒｘとしている。よって、時定数τはＲｘ×Ｃであるものとして説明する。なお、抵抗値Ｒｘは、プロジェクターの仕様に応じて、回路構成や、コンデンサーＣの容量など、使用する部品が異なるため、製品ごとに異なる値となる。

４）光路シフトデバイスの構成
図５は、本実施形態に係る光路シフトデバイスの斜視図である。
次に、光路シフトデバイス２の構成について説明する。
光路シフトデバイス２は、可動部３、支持部４、アクチュエーター６などから構成されている。なお、図５において、光路シフトデバイス２のＺ軸プラス方向にダイクロイックプリズム１１０（図１）が位置し、Ｚ軸マイナス方向に投射光学系１１２（図１）が位置する配置となっている。換言すれば、図５の紙面の上方から、映像光が光路シフトデバイス２の光路変更板３０に入射して、紙面の裏面にある投射光学系１１２（図１）に向かって出射される配置となっている。

可動部３は、光学部としての光路変更板３０と、光路変更板３０を保持する保持枠３１などから構成されている。光路変更板３０は、好適例において略正方形の白板ガラスを用いている。強度に優れた白板ガラスを採用することで、可動部３全体の剛性が高まるため、光路変更板３０において偏向される光の偏向ムラを抑制することができる。なお、白板ガラスに限定するものではなく、光透過性を有し、映像光を屈折可能な材料であれば良く、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどの各種ガラス材料を用いても良い。または、水晶、サファイアなどの各種結晶材料、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂などの各種樹脂材料を用いても良い。なお、光路変更板３０の形状は、略正方形に限定するものではなく、映像光を屈折可能な形状であれば良く、長方形や、菱形、楕円形状であっても良い。

保持枠３１は、金属製の額縁状をなした保持フレームであり、光路変更板３０の外周縁を支持することで、表裏面を露出した状態の光路変更板３０を収納している。好適例において保持枠３１の材質はステンレスを用いており、光路変更板３０は接着剤により保持枠３１に固定されて、一体化している。保持枠３１の一つの頂点部分には、フランジ状に突出した部位である第１軸部３１ａが形成されている。第１軸部３１ａにはネジ穴が形成されており、ネジ２１により支持部４に固定されている。第１軸部３１ａの対角線上の頂点部分にも、同様の突出部位である第２軸部３１ｂが形成されている。第２軸部３１ｂにはネジ穴が形成されており、ネジ２２により支持部４に固定されている。なお、保持枠３１は、外周縁のすべてを支持する額縁状の部材に限られず、光路変更板３０の少なくとも一部を支持する部材であればよい。保持枠３１は、本発明の「保持部」の一例に相当する。

支持部４は、保持枠３１よりも一回り大きい額縁状をなした樹脂製の支持部材である。支持部４には、可動部３、アクチュエーター６などが取付けられている。可動部３は、光路変更板３０を主体とする本体部分が支持部４の中央の穴に収納され、可動部３の対角部分から耳状に突出した第１軸部３１ａと、第２軸部３１ｂとで、支持部４に取付けられている。ここで、第１軸部３１ａと第２軸部３１ｂとを結ぶ対角線が揺動軸Ｊとなり、可動部３は揺動軸Ｊを中心にして、矢印Ｍで示された回動方向に姿勢を変えることができる。換言すれば、略正方形の可動部３は、揺動軸Ｊに沿って支持部４に固定されているため、揺動軸Ｊと交差する対角線上に位置する対角部は揺動軸Ｊを中心に揺動可能となっている。これにより、可動部３は、初期状態では傾きゼロのフラット状態となっているが、駆動状態では、矢印Ｍのプラス方向に所定角度傾くことと、マイナス方向に所定角度傾くことを繰り返す。なお、本明細書において、この反復運動のことを揺動ともいう。
アクチュエーター６は、支持部４における揺動可能側の一方の対角部に配置されている。アクチュエーター６は、磁石６１、磁石枠６３、コイル６２、コイル枠６４などから構成されている。ここで、磁石６１、磁石枠６３は可動部３の保持枠３１に取付けられている。コイル６２、コイル枠６４は、支持部４に取付けられている。

５）アクチュエーターの構成
図６は、光路シフトデバイスの平面図である。図７は、図６のＡ−Ａ部の断面図である。次に、図６、図７を用いて、アクチュエーター６の構成について説明する。
図７に示すように、保持枠３１におけるアクチュエーター６側の頂点部分は、Ｌ字状に折り返されて、磁石枠６３の取付け部となるフランジ部３１ｃが形成されている。フランジ部３１ｃには、磁石枠６３が固定されている。磁石枠６３には、磁石６１が取付けられている。磁石枠６３は、鉄などの金属から構成されており、バックヨークとして機能する。

磁石６１は、棒状の磁石６１ａと、磁石６１ｂとをＺ軸に沿って重ねた構成となっている。磁石６１ａは、図７の奥行方向に長い棒状の磁石である。その長さは、図６に寸法Ｆで示されている。磁石６１ａは、Ｎ極をコイル６２側に向けて配置されている。磁石６１ｂも、磁石６１ａと同じ長さの棒状磁石であるが、Ｓ極をコイル６２側に向けて配置されている。好適例として、磁石６１は、ネオジム磁石を用いている。なお、ネオジム磁石に限定するものではなく、所期の磁力を有する永久磁石であれば良く、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石であっても良い。

支持部４には、コイル枠６４、コイル６２が、この順番で取付けられている。詳しくは、コイル枠６４にはコイル６２が取付けられており、コイル枠６４はコイル６２が磁石６１と間隙を持って向かい合うように、支持部４に固定されている。コイル枠６４は、鉄などの金属から構成されており、バックヨークとして機能する。
図６のＤ視は、コイルの巻線軸方向からコイル６２を観察する視点である。Ｄ視において、コイル６２は、角丸長方形をなした空芯コイルである。なお、角丸長方形のことをトラック形状ともいう。コイル６２の長辺方向の長さは、磁石６１ａと略同じである。
図７に示すように、コイル枠６４には、コイル６２の巻線位置の案内となる突出部６４ａが形成されており、突出部６４ａを囲うようにコイル６２が配置されている。突出部６４ａの磁石６１側は、中空となっている。可動部３が傾いていない初期状態では、コイル６２の長辺６２ａが磁石６１ａと向かい合い、長辺６２ｂが磁石６１ｂと向かい合うように配置されている。

このような構成において、コイル６２に通電すると、コイル６２に電流が流れることで発生する磁界が、磁石６１ａ、磁石６１ｂと反発、または引き合うことにより、可動部３における磁石６１側の頂点部と、対角の頂点部とが略Ｚ軸に沿って往復運動することにより、可動部３全体が揺動軸Ｊを中心にして揺動する。
本実施形態では、可動部３に磁石６１を配置した、所謂「ムービングマグネット型」を採用している。これにより、通電時にコイル６２で発生する熱が可動部３や光路変更板３０に伝わり難くなるため、熱による共振周波数の変化や、光路変更板３０の撓み等を抑制することができる。

６）従来の光路シフトデバイスの駆動制御方法
図９Ａは、従来の駆動信号と光路シフトデバイスの軌跡を示す図である。図９Ｂは、図９Ａの時間軸を伸長した図である。
ここでは、従来の駆動方法で光路シフトデバイス２を駆動した場合の軌跡について、図９Ａ、図９Ｂを主体に、適宜、図４を交えて説明する。なお、図９Ａの波形Ｗを示す波形図において、横軸は時間ｔ、縦軸は電圧Ｖを表している。
駆動信号ＤＫｂは従来の駆動信号である。なお、図４において増幅部１３３から出力される駆動信号ＤＳではなく、図９Ａの駆動信号ＤＫｂはゲイン調整部１３２から出力される増幅前のベース信号の波形図を示している。駆動信号ＤＫｂは、基準電位となる電圧Ｖｃの期間と、波形Ｗの期間とを合せた信号である。

波形Ｗは、高電位側の電圧Ｖｃを上底、低電位側の電圧Ｖａを下底とした、台形波である。なお、電圧Ｖｃは第２の電圧に相当し、電圧Ｖａは第３の電圧に相当する。以下の説明において、台形の脚に相当する直線部分を脚部としている。
波形Ｗは、電圧Ｖｃから電圧Ｖａまで脚部で立下り、電圧Ｖａを一定時間維持した後、電圧Ｖａから電圧Ｖｃまで脚部で立上り、電圧Ｖｃを一定時間維持する。これが１周期であり、これを繰り返す台形波である。従来の駆動方法では、波形Ｗが印加される前の基準電圧は、高電位側の電圧Ｖｃまたは低電位側の電圧Ｖａとなっていた。

図９Ａの軌跡Ｕｏは、光路シフトデバイス２を駆動した際に、可動部３の測定ポイントＰ（図６）における揺動時の振幅をレーザー変位計を用いて時間軸で測定した軌跡データである。軌跡Ｕｏの縦軸は変位量δを示している。
理想的な軌跡Ｕｏは、波形Ｗの台形波を逆位相とした軌跡である。前述の通り、光路シフトデバイス２は光路変更板３０を反復運動させる装置であるため、プラス側の変位量δｂと、マイナス側の変位量δａの間において、台形波状の軌跡となることが望ましい。
これに対して、可動部３の軌跡Ｕｏは、変位量δｂからプラス側にはみ出していた。また、マイナス側では、変位量δａに達しておらず、全体に波形がプラス側にシフトしていた。さらに、台形の上底、下底に相当する部分の軌跡に、オーバーシュートや、アンダーシュートによる波打ちが観察されていた。

図９Ｂは、図９Ａの時間軸を伸長したグラフであり、駆動開始後における立上り状況をマクロに測定した図である。波形Ｗ、軌跡Ｕｏは、図９Ａと同一である。
図９Ｂの軌跡Ｕｏに示すように、立上り直後から時間ｔｄの間、全体に波形がプラス側にシフトしていることが解る。詳しくは、立上り直後において変位量δｂからプラス側に大きくはみ出した後、時間経過に伴い徐々に変位量δｂに近づいている。また、マイナス側においても立上り直後は、変位量δａに達していないが、同様に、時間が経過すると変位量δａに近づいている。時間ｔｄになると、軌跡Ｕｏが変位量δａと、変位量δｂとの間に収まり、駆動が安定して来ることが解る。発明者等の実験結果では時間ｔｄは約２秒であった。つまり、従来の駆動方法では、人間の視覚で認識されてしまうレベルの軌跡の乱れが生じていた。

７）本実施形態に係る光路シフトデバイスの駆動制御方法
図８Ａは、本実施形態に係る駆動信号と光路シフトデバイスの軌跡を示す図であり、図９Ａに対応している。図８Ｂは、図８Ａの時間軸を伸長した図であり、図９Ｂに対応している。なお、図８Ａ、図８Ｂの縦軸、横軸の単位は、図９Ａと同じである。
ここでは、本実施形態の特徴ある駆動方法について、図８Ａ、図８Ｂを主体に、適宜、図９Ａ、図９Ｂを交えて説明する。

図８Ａの波形Ｗは、図９Ａの波形Ｗと同一の台形波である。図９Ａの従来の駆動方法との相違点は、波形Ｗが印加される前の基準電圧が、中間電位の電圧Ｖｂとなっていることである。なお、第１の電圧としての電圧Ｖｂは、低電位側の電圧Ｖａと高電位側の電圧Ｖｃとの中間値の電圧である。つまり、本実施形態の駆動信号ＤＫａは、基準電圧となる中間電位の電圧Ｖｂの期間と、波形Ｗの期間とを合せた駆動信号となっている。また、第１の時間としての中間電位の電圧Ｖｂの印加時間は、時定数τの３倍以上としている。なお、駆動信号ＤＫａにおいて最小の電圧は電圧Ｖａであり、最大の電圧は電圧Ｖｃである。

図８Ａに示すように、この駆動方法での可動部３の軌跡Ｕａは、最初の１周期において台形の上底、下底に相当する部分の軌跡に、オーバーシュートや、アンダーシュートによる波打ちが観察されるが、それ以降の軌跡は略台形波状となっている。なお、１周期程度の軌跡の乱れは極僅かな時間であり、人間の視覚では認識困難なため許容範囲である。例えば、波形Ｗを６０Ｈｚとした場合、１周期は約１６．７ｍｓと短いため認識困難である。さらに、２周期以降は軌跡Ｕａが変位量δａと変位量δｂとの間に略収まっており、全体に波形がプラス側にシフトしていた従来の軌跡Ｕｏ（図９Ａ）に比べて、大幅に改善している。これは、図８Ｂの時間を伸長したグラフで見ると顕著であり、この駆動方法による可動部３の軌跡Ｕａは、変位量δａと変位量δｂとの間で略理想的な反復運動ができていることが解る。

このように、本実施形態の駆動信号ＤＫａを用いた駆動方法によれば、従来の駆動信号ＤＫｂでの駆動に比べて、軌跡の乱れを大幅に改善することができる。まず、その理由説明に先立ち、従来の駆動信号ＤＫｂによる軌跡の乱れの原因について説明する。
前述の通り、従来の駆動信号ＤＫｂは、高電位側の電圧Ｖｃを基準電圧としていた。図４に示すように、駆動信号ＤＫｂは、カップリング用のコンデンサーＣに印加される。この際、コンデンサーＣには最初に直流成分の電圧Ｖｃが印加されるため、コンデンサーＣの電位は直流成分の電圧Ｖｃのバイアスを受けた状態となっている。
続いて、台形波の波形Ｗが印加されるが、コンデンサーＣの電位が台形波の中間電位に安定するまでの間は、直流バイアスの影響が残ってしまっていた。この過渡応答時間においては、増幅部１３３で増幅された駆動信号ＤＳにも、直流バイアスが掛った状態となっていた。このため、図９Ｂの軌跡Ｕｏに示すように、立上り直後から時間ｔｄの間、全体に波形がプラス側にシフトしてしまっていた。この過渡応答に要する時間ｔｄは、コンデンサーＣと複合抵抗Ｒｘとの時定数τの約３倍であった。なお、前述の通り、複合抵抗値Ｒｘは、抵抗Ｒと、オペアンプＯＰの入力インピーダンスとを複合した抵抗値である。

これに対して、本実施形態の駆動信号ＤＫａは、中間電位の電圧Ｖｂを基準電圧としているため、コンデンサーＣの電位は中間電位で安定した状態となっている。続いて印加される台形波の波形Ｗの中間電位も、電圧Ｖｂとなっているため、直流バイアスの影響を受けずに、略理想的な反復駆動を行うことができる。さらに、中間電位の電圧Ｖｂの印加時間を時定数τの３倍以上としているため、コンデンサーＣの電位を中間電位でより確実に安定させることができる。

上述した通り、本実施形態に係る光路シフトデバイス２、およびその制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。
制御回路１２０は、駆動回路１２２を用いて、光路シフトデバイス２を駆動制御する。詳しくは、駆動回路１２２は、基準電圧として中間電位の電圧Ｖｂを印加した後、波形Ｗの台形波を印加する駆動信号ＤＫａを用いている。これにより、予めコンデンサーＣの電位を波形Ｗの中間電位と同じ電圧Ｖｂで安定状態としてから、台形波の波形Ｗで光路シフトデバイス２を駆動するため、直流バイアスの影響により軌跡の乱れが発生していた従来の駆動制御方法と異なり、可動部３を略理想的な軌跡で駆動制御することができる。
よって、従来の駆動信号による制御方法よりも、より理想的な軌跡を実現した駆動信号、および駆動制御方法を提供することができる。
さらに、中間電位の電圧Ｖｂを印加する時間を時定数τの３倍以上としたことにより、台形波の波形Ｗを印加する前に、コンデンサーＣの電位を中間電位でより確実に安定させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。

変形例１
図８Ａを用いて説明する。
上述の実施形態では、好適例として、台形波の波形Ｗの前に、中間電位の電圧Ｖｂを印加するものとして説明したが、これに限定するものではなく、光路シフトデバイス２の駆動を終了した後、または、駆動を待機している状態においても、中間電位の電圧Ｖｂを印加しても良い。例えば、１つの映像投射が終了し、光路シフトデバイス２の駆動も終了した後であっても、次の映像の投射がいつ始まるかは分からないため、駆動終了後も中間電位の電圧Ｖｂを印加しておけば、直ぐに光路シフトデバイス２を安定駆動することができる。待機状態においても同様であり、プロジェクター１の電源がオンとなっている間は、常に中間電位の電圧Ｖｂを基準電圧として印加することが好ましい。

変形例２
上述の実施形態では、駆動信号ＤＫａを用いて光路シフトデバイス２を駆動する事例について説明したが、光路シフトデバイス２の駆動に限定するものではない。この駆動方法を、反復運動を行うデバイス、装置にも適用しても良い。特に、カップリングコンデンサーを介して信号伝達を行う回路構成のデバイス、装置に好適である。本願に係る駆動方法を、これらのデバイスや、装置に適用した場合であっても、直流バイアスの影響を受けずに、所期の反復運動を行うことができる。

変形例３
上述の実施形態では、波形Ｗとして台形波の波形を用いるものとして説明したが、最大の電圧と最小の電圧を周期的に印加するものであればよく、例えば波形Ｗとして正弦波や三角波の波形を用いてもよい。

変形例４
上述の実施形態では、より確実にコンデンサーＣの電位を中間電位で安定させるために、中間電位の電圧Ｖｂの印加時間を時定数τの３倍以上としたが、中間電位の電圧Ｖｂの印加時間を時定数τの２倍程度としてもよい。

変形例５
上述の実施形態では、光路シフトデバイス２の光路変更板３０として、光透過性を有するガラスを用いるとして説明したが、ガラスに限らず、光反射性を有するミラーであってもよい。このような場合には、実施形態の光学デバイスを光走査用の光学デバイスや、光スイッチ、光アッテネーター等としても利用することができる。

変形例６
上述の実施形態では、空間光変調器として、透過型の液晶表示素子を用いる構成を例に挙げて説明したが、空間光変調器は、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, LCoSは登録商標）等の反射型の液晶表示素子や、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）等を用いる構成であっても良い。また、画像表示装置としては、プロジェクターに限定されず、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）等にも適用可能である。

以下に、実施形態から導き出される内容を記載する。

本願に係る光学デバイスの制御方法は、入射した映像光を、映像光の入射角度に応じて屈折させて出射する光学部、および光学部を支持する保持部を含む可動部と、可動部を揺動させるアクチュエーターと、アクチュエーターにカップリングコンデンサー、およびアンプを介して駆動信号を印加する駆動回路と、を有する光学デバイスの制御方法であって、アクチュエーターに第１の電圧を第１の時間印加してから、第２の電圧と第３の電圧とを、周期的に印加して可動部を揺動させること、を含み、第２の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最大の電圧であり、第３の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最小の電圧であり、第１の電圧は、第２の電圧と第３の電圧の中間値の電圧であることを特徴とする。

この制御方法によれば、基準電圧として中間電位の電圧Ｖｂを印加した後、波形Ｗの台形波を印加している。これにより、予めコンデンサーＣの電位を波形Ｗの中間電位と同じ電圧Ｖｂで安定状態としてから、台形波の波形Ｗで光路シフトデバイス２を駆動するため、直流バイアスの影響により可動部３の動作に偏りが発生していた従来の駆動制御方法と異なり、可動部３を略理想的な軌跡で駆動制御することができる。
よって、従来の駆動信号による制御方法よりも、より理想的な軌跡を実現した駆動信号、および駆動制御方法を提供することができる。

上記制御方法において、カップリングコンデンサーの容量と、アンプの入力インピーダンスを含む抵抗との時定数をτとした時に、第１の時間は時定数τの３倍以上の時間であることが好ましい。

これにより、台形波の波形Ｗを印加する前に、コンデンサーＣの電位を中間電位で充分に安定させた状態とすることができる。

上記制御方法において、駆動信号によるアクチュエーターの駆動を終了した後、または、アクチュエーターの駆動を待機している状態において、アクチュエーターに第１の電圧を印加することが好ましい。
また、アクチュエーターに周期的に印加される信号波形は、第２の電圧を上底とし、第３の電圧を下底とする台形波であることが好ましい。

これにより、駆動終了後や、待機時においても、中間電位の電圧Ｖｂが印加されているため、直ぐに光路シフトデバイス２を安定駆動することができる。

本願の光学デバイスは、入射した映像光を、映像光の入射角度に応じて屈折させて出射する光学部、および光学部を支持する保持部を含む可動部と、可動部を揺動させるアクチュエーターと、アクチュエーターに駆動信号を印加する駆動回路と、を有し、駆動回路は、カップリングコンデンサー、およびアンプを介してアクチュエーターに駆動信号を印加し、駆動回路は、アクチュエーターに第１の電圧を第１の時間だけ印加してから、第２の電圧と第３の電圧を周期的に印加して可動部を揺動させ、第２の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最大の電圧であり、第３の電圧は、可動部を揺動させている時に加える電圧の最小の電圧であり、第１の電圧は、第２の電圧と第３の電圧の中間値の電圧であることを特徴とする。

制御回路１２０は、駆動回路１２２を用いて、光路シフトデバイス２を駆動制御する。詳しくは、駆動回路１２２は、基準電圧として中間電位の電圧Ｖｂを印加した後、波形Ｗの台形波を印加する駆動信号ＤＫａを用いている。これにより、予めコンデンサーＣの電位を波形Ｗの中間電位と同じ電圧Ｖｂで安定状態としてから、台形波の波形Ｗで光路シフトデバイス２を駆動するため、直流バイアスの影響により軌跡の乱れが発生していた従来の駆動制御方法と異なり、可動部３を略理想的な軌跡で駆動制御することができる。
よって、従来の光路シフトデバイスよりも、より理想的な軌跡を実現した光路シフトデバイス２を提供することができる。

本願の画像表示装置は、上記光学デバイスと、光学デバイスから出射される映像光を拡大投射する投射光学系とを、備えることを特徴とする。

プロジェクター１は、光路シフトデバイス２、および投射光学系１１２を備えている。また、光路シフトデバイス２を駆動制御する制御回路１２０、駆動回路１２２も備えている。よって、直流バイアスの影響により、人間の視覚で認識されてしまうレベルの軌跡の乱れが生じていた従来の画像表示装置とは異なり、高精細、かつ、安定した画像品質の投射画像を得ることが可能なプロジェクター１を提供することができる。

１…プロジェクター、２…光路シフトデバイス、３…可動部、４…支持部、６…アクチュエーター、３０…光路変更板、３１…保持枠、１１２…投射光学系、１２０…制御回路、１２２…駆動回路、１３１…波形生成部、１３２…ゲイン調整部、１３３…増幅部、Ｃ…コンデンサー、Ｒ…抵抗、Ｒｘ…複合抵抗、ＯＰ…オペアンプ、ＤＫ…駆動信号、ＤＫａ…本願の駆動信号、ＤＫｂ…従来の駆動信号、ＤＳ…駆動信号、Ｖａ…第３の電圧、Ｖｂ…第１の電圧、Ｖｃ…第２の電圧、Ｕａ…本願の軌跡、Ｕｏ…従来の軌跡。

Claims (6)

1. 入射した映像光を、前記映像光の入射角度に応じて屈折させて出射する光学部、および前記光学部を支持する保持部を含む可動部と、前記可動部を揺動させるアクチュエーターと、前記アクチュエーターにカップリングコンデンサー、およびアンプを介して駆動信号を印加する駆動回路と、を有する光学デバイスの制御方法であって、
   前記アクチュエーターに第１の電圧を第１の時間印加してから、第２の電圧と第３の電圧とを、周期的に印加して前記可動部を揺動させること、を含み、
   前記第２の電圧は、前記可動部を揺動させている時に加える電圧の最大の電圧であり、
   前記第３の電圧は、前記可動部を揺動させている時に加える電圧の最小の電圧であり、
   前記第１の電圧は、前記第２の電圧と前記第３の電圧の中間値の電圧であることを特徴とする光学デバイスの制御方法。
2. 前記カップリングコンデンサーの容量と、前記アンプの入力インピーダンスを含む抵抗との時定数をτとした時に、前記第１の時間は前記時定数τの３倍以上の時間であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイスの制御方法。
3. 前記駆動信号による前記アクチュエーターの駆動を終了した後、または、前記アクチュエーターの駆動を待機している状態において、前記アクチュエーターに前記第１の電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の光学デバイスの制御方法。
4. 前記アクチュエーターに周期的に印加される信号波形は、
   前記第２の電圧を上底とし、前記第３の電圧を下底とする台形波であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学デバイスの制御方法。
5. 入射した映像光を、前記映像光の入射角度に応じて屈折させて出射する光学部、および前記光学部を支持する保持部を含む可動部と、
   前記可動部を揺動させるアクチュエーターと、
   前記アクチュエーターに駆動信号を印加する駆動回路と、を有し、
   前記駆動回路は、カップリングコンデンサー、およびアンプを介して前記アクチュエーターに前記駆動信号を印加し、
   前記駆動回路は、前記アクチュエーターに第１の電圧を第１の時間だけ印加してから、第２の電圧と第３の電圧を周期的に印加して前記可動部を揺動させ、
   前記第２の電圧は、前記可動部を揺動させている時に加える電圧の最大の電圧であり、
   前記第３の電圧は、前記可動部を揺動させている時に加える電圧の最小の電圧であり、
   前記第１の電圧は、前記第２の電圧と前記第３の電圧の中間値の電圧であることを特徴とする光学デバイス。
6. 請求項５に記載の光学デバイスと、
   前記光学デバイスから出射される映像光を拡大投射する投射光学系とを、備えることを特徴とする画像表示装置。

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