JP5220120B2 - 走査型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査ミラーを用いてレーザビームを走査する、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の走査型画像表示装置に関するものである。

従来、使用者の頭部に装着して画像表示を行うＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等の画像表示装置において、画像表示部として液晶素子や有機ＥＬなどの画素型表示デバイスを用いた方式や、レーザビームを２次元走査して眼の網膜に直描する方式など様々な方式が提案されている。

このような画像表示装置においては、使用者への装着負担を軽減し長時間使用可能とするため、表示装置全体が小型で軽量であることが求められる。さらに、一般に用いられる眼鏡と同等のデザインで画像表示装置を構成すれば、通常の眼鏡の様に常時装着して活動できるようになる。

しかしながら、高画質、広視野角にするほど、画素型表示デバイスを用いた方式は、表示部、該表示部が発した光を眼まで導くプリズム、及びハーフミラーを用いた接眼光学系が大型になるため、小型軽量化が困難である。

また、上記のような大型の接眼光学系は、眼前を覆う構造となり、眼鏡というよりはゴーグルやヘルメットに近い形となり、自然な装着感は望み難く一般的な眼鏡型の画像表示装置の実現は困難である。

一方、レーザ走査方式の網膜走査型画像表示装置は、小型のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーデバイスを用いることにより、画像表示装置を極めて小型化できる利点がある。

さらに、レーザ走査方式の網膜走査型画像表示装置では、プリズムやハーフミラーに替えて、ホログラムミラーを用いることで、接眼光学系を薄型化し、装置全体を眼鏡型に構成する提案もなされている。（例えば、特許文献１参照）。

図８Ａないし図８Ｃは、このようなレーザ走査方式の画像表示装置の一構成例を示している。図８Ａは、上記レーザ走査方式の画像表示装置の平面図、図８Ｂは、レーザ走査方式の画像表示装置の側面図、図８Ｃは、レーザ走査方式の画像表示装置を眼側から見た説明図である。

図８Ａないし図８Ｃでは、使用者の頭部及び走査型画像表示装置の左半分のみを示しているが、両眼視対応の場合は、左右対称な構成となる。

図８Ａないし図８Ｃに示す走査型画像表示装置は、レーザビーム２を出射する光源部１、レーザビーム２を２次元走査する走査ミラー３、及びこれらの部材を制御する制御部１４がテンプル１１に搭載されてなる。

走査型画像表示装置は、さらに、眼鏡レンズ１２と、該眼鏡レンズ１２の表面に形成されたホログラムミラー１３とを備えている。走査ミラー３によって眼鏡レンズ１２に投射されたレーザビーム２は、ホログラムミラー１３で反射され、使用者の眼１７に入射して網膜上に画像を形成する。ホログラムミラー１３は、例えば、リップマン体積ホログラムを形成したフォトポリマー層からなる。ホログラムミラー１３は、レーザビームの波長のみを反射する波長選択性を持ち、使用者は外の景色とレーザビームによって描かれる画像の両方を同時に視認することが可能となっている。

上記の従来の構成では、走査ミラー３からのレーザビーム２が使用者の顔で遮られることなくホログラムミラー１３に照射される。このため、レーザビーム２は、眼鏡レンズ１２に入射角αで斜めに投射することとなり、図８Ｃの斜め投射領域８に示すように、ホログラムミラー１３に投影される画像が台形形状に歪むという課題がある。

一般に、投射面に対して斜め位置から矩形映像を投影した場合、走査中心から遠い側では走査ビームがより広がって投射されるため、近い側が狭く、遠い側が広い台形状の投射領域となる。従って、ホログラムミラー１３で反射された光が使用者の眼１７に入射され網膜に到達することによって、使用者が認識する画像も台形に歪むこととなる。

通常、フロントプロジェクタ等では、台形歪みに対応するために画像処理による補正が行われる。これは台形の上底もしくは下底の内、短い方の辺の長さに合わせて、矩形の表示領域を決定し、矩形領域からはみ出す部分（以下無効走査領域と称する）では画像の表示を行わないことで、使用者に対しては表示領域９（図８Ｃ）のような矩形の画像を表示できる。

しかしながら、この方法では投射領域が広がる側では画像を縮小して表示することになり表示できる解像度が低下する。また、無効領域が大きいほど、１フレーム時間内で画像を表示する時間が短くなり、画像が暗くなる。明るさを保つには光源の光出力を上げる必要があり消費電力が増大する。

このような課題に対し、走査ミラーの駆動振幅や駆動速度を制御して、走査領域の形状及び走査線間隔を補正する提案がなされている。（例えば、特許文献２参照）。

この例では、より高速な第１方向（ファーストスキャン）側をＭＥＭＳミラーで走査し、より低速な第２方向（スロースキャン）側を自由な波形の駆動が可能な垂直偏向器（いわゆるガルバノミラー）で走査している。そして、ＭＥＭＳミラーの偏向振幅を変化させることで、斜め投射によって走査幅が広がるのを相殺するとともに、ガルバノミラーの偏向速度を制御して、走査線の間隔の広がりも補正している。

特開平１０−３０１０５５号公報 特開２００７−１９９２５１号公報

しかしながら、上述のような従来の構成は、さらに以下のような課題を有している。

すなわち、ＭＥＭＳミラーの偏向振幅をスロースキャン方向の走査に合わせて変化させるために、振幅を抑制する側の駆動電圧を下げたり、ＭＥＭＳミラー駆動部のコイルと永久磁石の距離を増大させたりしている。これらは、いずれもＭＥＭＳミラーの駆動力を弱めて偏向振幅を減らすものであり、特に共振振動しているＭＥＭＳミラーでは、慣性運動で一定の振動を保とうとするため、振幅の変化が駆動信号の変化に必ずしも追従しない。

さらに、スロースキャンを１方向走査としており、ＭＥＭＳミラーの振幅変化が、高速な垂直帰還に追従するのはさらに困難となる。

また、走査線の間隔を補正するため、スロースキャン側には、自由な波形の駆動が可能なガルバノミラーを用いているが、当該ガルバノミラーの駆動には、角度変位全体にわたって十分な駆動力を発生できるアクチュエータが必要であるため、小型化が困難である。

これに対し、共振ミラーを用いた場合は、小さな駆動力で大きな変位が得られるため、小型化に適しているが、振動波形は正弦波状となり、自由な波形で駆動することはできない。

前述の眼鏡型ＨＭＤのように、非常に小型な構成が要求される画像表示装置では、１チップで２軸走査が可能な２軸共振型ＭＥＭＳミラーが適している。しかしながら、上記のような理由で、走査領域の形状や走査線の間隔を補正するよう駆動することは困難であった。

本発明は、斜め投射時においても良好な画像の表示を実現することができる走査型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る走査型画像表示装置は、上記の目的を達成するために、レーザビームを出射する光源部と、前記レーザビームを第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向に２次元走査する走査ミラーと、前記走査ミラーの駆動を制御する制御部とを含み、前記制御部は、前記第１方向の走査周波数が前記第２方向の走査周波数よりも高い周波数となるように前記走査ミラーを駆動するとともに、前記第２方向の走査周波数の周期に同期させて前記第１方向の走査周波数を変化させることにより前記第１方向の走査振幅を変化させることを特徴とする。

上記の構成によれば、走査ミラーの駆動を制御する制御部は、第２方向の走査周波数の周期に同期させて、第１方向の走査周波数を変化させることにより第１方向の走査振幅を変化させている。このように走査周波数を変化させて走査振幅の調整を行うことにより、走査振幅の調整が容易となり、走査領域を所望の形状に調整することができる。これにより、斜め投射時においても高画質の画像を表示することができる。

本発明によれば、斜め投射時においても良好な画像の表示を実現することができる走査型画像表示装置を実現することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴、及び優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

本発明の一実施の形態に係る走査型画像表示装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の一実施の形態に係る走査型画像表示装置の概略構成を示す説明図である。 走査ミラーと投射面との配置を示す説明図である。 走査ミラーの概略構成を示す平面図である。 走査ミラーの走査振幅−走査周波数特性を示すグラフである。 図６Ａは、走査ミラーの共振周波数が高周波数側に変化した場合の走査振幅−走査周波数特性を示すグラフである。図６Ｂは、走査ミラーの共振周波数が低周波数側に変化した場合の走査振幅−走査周波数特性を示すグラフである。 本発明の一実施の形態に係る車載用走査型画像表示装置の概略の配置を示す説明図である。 図８Ａは、走査型画像表示装置の構成例を示す要部平面図である。図８Ｂは、図８Ａの走査型画像表示装置の要部側面図である。図８Ｃは、図８Ａの走査型画像表示装置を眼側から見た要部正面図である。 低速走査駆動波形と高速走査駆動波形との関係を表す波形図である。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず、本実施の形態に係る走査型画像表示装置の各構成部材の配置関係及び走査パターンの形状について説明する。

図１ないし図３は、本実施の形態１に係る走査型画像表示装置の概略構成を示している。図１は、本実施の形態に係る駆動方法による走査軌道を示す斜視図である。図２は、図１と同様の構成の走査型画像表示装置に、従来の駆動方法を適用した場合の走査軌道を示す斜視図である。図３は、図１に示す走査型画像表示装置における走査ミラーと投射面との配置を示す平面図である。

本実施の形態における走査型画像表示装置１１は、図１に示すように、光源部１、走査ミラー３（走査手段）、折り返しミラー７及び制御部（焦点制御部、強度制御部）１４を備えている。

光源部１は、図示しないレーザ光源、コリメートレンズ、集光レンズ等を備えている。光源部１から照射したレーザビーム２は、折り返しミラー７で反射されて走査ミラー３に入射される。そして、レーザビーム２は、走査ミラー３で反射、偏向されて斜め投射面５に投射される。例えば、図８Ａに示す眼鏡型の走査型画像表示装置の場合は、眼鏡レンズ１２の表面に形成されたホログラムミラー１３が斜め投射面５となる。また、後述するように走査型画像表示装置が車載される場合は、斜め投射面５が車両のフロントガラス等となることもある。さらに、走査型画像表示装置がプロジェクタの場合は、任意のスクリーンや壁面等が斜め投射面５となることもある。

制御部１４は走査ミラー３の駆動を制御すると共に、光源部１から出射されるレーザ光２の発光強度を制御している。制御部１４は、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、各種処理の実行時にプログラムやデータを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、入出力インタフェース及びこれらを接続するバスにより構成することができる。

走査ミラー３は、水平方向（第２方向）及び垂直方向（第１方向）の２方向に共振駆動される２軸共振ミラーであり、走査ビームがリサージュパターンを描くように構成されている。制御部１４は、走査ミラー３の駆動信号から導かれるビームの偏向方向から、表示すべき画像の画素のアドレスを算出し、その画素データに基づいて光源部１のレーザビーム２の発光強度を変調している。この制御部１４による発光強度の変調により、所望の画像を表示することができる。

走査ミラー３は、典型的には図４に示すような構造のＭＥＭＳデバイスである。ミラー部４１は支持部４２で支持され、中間フレーム４３に対して回動可能に保持されている。中間フレーム４３は、支持部４４で固定フレーム４５に対して回動可能に保持されている。走査ミラー３の駆動方式としては、圧電方式、静電方式、電磁方式等のデバイスがあり、支持部の構造も駆動方式によって様々な物が開発されている。本実施の形態の走査ミラーとしては、特定の構造や駆動方式のものに限定されるものではなく、様々な構造及び駆動方式のものを適用することができる。

また、走査ミラー３は、共振駆動することにより、小型のデバイスが実現できる。例えば、ミラー部４１と中間フレーム４３との間、及び中間フレーム４３と固定フレーム４５との間に櫛歯電極を設けた静電駆動方式のＭＥＭＳデバイスでは、１０ｍｍ×１０ｍｍのサイズで、共振周波数が１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚと２００Ｈｚ〜２ｋＨｚ程度のデバイスが開発されている。また、支持部に圧電膜を形成して可動部を共振させる、圧電方式のデバイスでも、同様のサイズと共振周波数のものが開発されている。このように、走査ミラー３は、共振駆動することが望ましい。なお、本実施の形態においては走査ミラー３を必ずしも共振条件で駆動しなければならないわけではなく、共振条件を外れた駆動も可能である。

図１ないし図３においては、座標系として、走査ミラー３の回転中心を原点とし、水平方向にＸ軸、垂直上方にＹ軸、法線方向にＺ軸を取っている。（配置の関係上、走査ミラー３は裏面より見た図となっている。）

垂直投射面４は、走査ミラー３が中立位置にあるときの反射光軸すなわち走査中心軸６に対して垂直な面であり（破線で図示）、斜め投射面５は、垂直投射面４を、走査中心軸６を通る鉛直線周りに角度αだけ回転した面である。すなわち、レーザビーム２の斜め投射面５への入射角をαとした状態である。

走査ミラー３は、Ｘ軸周りに±θx、Ｙ軸周りに±θy回動駆動される。走査ミラー３によって２次元走査されたレーザビーム２は、斜め投射面５上に斜め走査軌道８を描く。

ここで、図３において、走査ミラー３の回転中心（原点）から垂直投射面４上における投射領域の左端までの距離をＬＬとし、当該原点から斜め投射面５上における投射領域の左端までの距離をＬＬ’とする。また、原点から垂直投射面４上における投射領域の右端までの距離をＬＲとし、当該原点から斜め投射面５上における投射領域の右端までの距離をＬＲ’とする。同図に示すように、垂直投射面４から反時計回りに斜め投射面５を角度αだけ回転した場合、原点から投射領域の左端までの距離は、ＬＬより短いＬＬ’となる一方、原点から投射領域の右端までの距離は、ＬＲより長いＬＲ’となる。したがって、投射距離が長くなる分、左端よりも右端の方が投射領域は広がることとなる。

今、図３においてＡ，Ｂと置いた長さに対して、
Ｂ／Ａ＝ｔａｎ２θｙ ……式(１)
（Ａ−Ｌ）／Ｂ＝ｔａｎα ……式(２)
が成り立つので、
Ｌ／Ａ＝１−ｔａｎ２θｙｔａｎα＝ＬＲ／ＬＲ’ ……式(３)
となる。

同様に、図３においてＣ，Ｄと置いた長さに対して、
Ｄ／Ｃ＝ｔａｎ２θｙ ……式(４)
（Ｌ−Ｃ）／Ｄ＝ｔａｎα ……式(５)
が成り立つので、
Ｌ／Ｃ＝１＋ｔａｎ２θｙｔａｎα＝ＬＬ／ＬＬ’ ……式(６)
となる。

これより、斜め投射面５における投射領域の左右の投射距離の比ＬＲ’／ＬＬ’は、
ＬＲ’／ＬＬ’＝（１＋ｔａｎ２θｙｔａｎα）／（１−ｔａｎ２θｙｔａｎα） ……式(７)
となる。

ここで、図２に示すように、斜め投射面５における投射領域の左端の高さ（垂直方向の距離）をＨＬ、右端の高さをＨＲとする。投射領域の左右の高さは投射距離に比例するので、斜め投射面５における投射領域の左右の高さの比ＨＲ／ＨＬは、
ＨＲ／ＨＬ＝（１＋ｔａｎ２θｙｔａｎα）／（１−ｔａｎ２θｙｔａｎα) ……式(８)
となる。

従って、図２に示すように、斜め投射面５に投射される投射領域（斜め投射領域８）の外形は、投射領域の左から右へ向かうほど垂直方向の距離が長くなる台形形状となり、その走査軌道は斜め走査軌道８’のようになる。

また、斜め投射面５においては、垂直方向のみならず、水平方向にも拡大投射されるので、走査軌道８’の水平方向（低速走査方向）の間隔も、投射領域の左から右へ拡大される。

図３に示すように、走査中心軸６に対して対称な位置では、走査ミラー３の偏向速度は同じになるが、右へ行くほど投射距離が長くなっているため、画像の左側の走査間隔Ｐ１より、右側の走査間隔Ｐ２の方が広くなる。ここで、走査間隔とは、高速走査方向（第１方向）に走査されたレーザビームが投射面上に形成する走査線の低速走査方向（第２方向）の間隔をいう。元来、レーザビームをリサージュパターンで走査しているので、走査線はサイン波状であり、直線でもなければ等間隔でもないが、最も走査間隔の大きな部分での間隔が表示可能解像度となる。リサージュ表示では、走査領域中央部が最も走査間隔が広くなるので、その部分の走査間隔が表示解像度となるよう、走査周波数を設定する。従って、画面の左右で走査間隔が変化すると、表示可能な水平方向の解像度が画像右側で低下する。走査間隔が広がった右側部分で水平解像度を確保するには、走査周波数を引き上げる必要がある。

このような構成で、図１に示すように、画像を表示領域９のような縦（垂直方向の距離）Ｈ、横（水平方向の距離）Ｗの長方形領域に表示するため、画像右側ほど、画素を縦に間引いて縮小表示することは可能であるが、縦解像度も低下してしまう。

そこで、本実施の形態では、走査ミラー３を縦方向（第１方向）には高速走査する一方、横方向（第２方向）には低速走査するとともに、横方向の低速走査周波数の周期に同期させながら縦方向の高速走査周波数を変調する（変化させる）ことで、縦方向（高速走査方向）の走査振幅を変化させる。以下に、高速走査周波数を変化させることにより高速走査方向の走査振幅を調整する方法について詳述する。

図５に走査ミラー３の走査振幅−走査周波数特性を示す。同図は、走査ミラー３のような１自由度振動系の走査振幅−走査周波数特性である。ミラーの可動部イナーシャをＪ、支持部の回転バネ定数をＫとすると、走査ミラー３は、
ｆ０＝（１／２π）√（Ｋ／Ｊ） ……式(９)
で表される共振周波数ｆ０に走査振幅のピークを持つ。そして、走査ミラー３は、ｆ０以下では一定の低域ゲインを有し、ｆ０以上では−２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ（ｄｅｃａｄｅは１０倍)で走査振幅が減衰する特性を示す。

今、走査ミラー３の走査周波数を共振周波数ｆ０とした時の走査振幅をＡ０、ｆ０よりも周波数の高いｆ１とした時の走査振幅をＡ１とする。そして、走査ミラー３の高速走査周波数を共振周波数ｆ０からｆ１へと漸次的に変化（増加）させると、高速走査方向の走査振幅はＡ０からＡ１へと漸次的に変化（減少）することになる。この高速走査周波数の変調を、低速走査駆動周波数に同期させて、例えば、走査領域の左端でｆ０、右端でｆ１となるように漸増変化させると、図５に示したような、台形状の走査領域（投射領域）とすることができる。図５に示した台形状の走査領域は、垂直投射面４上における走査領域である。

そこで、垂直投射面４における走査領域の右と左の高さ（高速走査方向の走査振幅）の比Ａ０／Ａ１を、前述の斜め投射面５における走査領域の左右の高さの比ＨＲ／ＨＬに一致させれば、斜め投射時の走査領域を、図１の補正走査領域１０のように長方形状に補正することができる。

実際には、走査ミラー３の可動部のイナーシャや支持部のダンピング係数、高速走査方向の走査振幅を変調する低速走査周波数によっては、高速走査周波数をｆ１にした時の走査振幅がＡ１にまで十分抑制されない場合も生じ得る。一般には、可動部のイナーシャが高く、支持部のダンピング係数が低く、低速走査周波数が高いほど、高速走査振幅の変化が低速走査周波数に追従し難くなる。すなわち、Ａ０／Ａ１の比率を高くできない。

このような場合は、高速走査周波数を、周波数特性から読み取れるｆ１よりもより大きく変化させて、振幅変調度をより強くする（これにより、走査振幅がＡ１になるように調整する）ことも可能である。これは、走査ミラーへ印加する駆動信号の電圧を変調する場合と異なり、駆動力を緩めて振幅を抑制するのではなく、駆動信号は一定レベルで走査ミラー３へ印加したまま、そのタイミングを変化させることとなっているため、走査ミラー３の可動部が慣性振動しようとするのを強制的に制動する効果があるためである。

従って、走査ミラーに印加する駆動信号の電圧を変調して走査振幅を制御する従来の方法よりも、本実施の形態のように高速走査周波数を変化させて走査振幅を制御する方法の方が、可動部イナーシャがより大きく、支持部のダンピング係数がより低く、低速周波数がより高い場合でも、確実に走査振幅を制御し、走査領域の形状を所望の形状とすることができる。

また、図５のグラフより、走査振幅がＡ１となる走査周波数ｆ２が、ｆ０より低い側にも存在する。従って、高速走査周波数を、走査領域の左端でｆ０、右端でｆ２となるように漸減変化させるように変調しても、上述した場合と同様に、垂直投射面４上における走査領域の左側高さがＡ０、右側高さがＡ１となるようにすることができる。

しかしながら、この場合、縦（高速走査方向）の走査振幅をＡ１へ抑制する方向に縦走査周波数が下がるすなわち縦走査速度が下がるので、走査線の水平方向（低速走査方向）の間隔が広がる方向となる。

前述したように、斜め投射した場合、走査振幅が広がる側（すなわち走査振幅を抑制するよう駆動すべき側）は、水平方向の走査間隔も広がっている。したがって、走査振幅を抑制するよう駆動すべき側の走査周波数をさらに下げて変調すると、単位面積当たりの走査線数がさらに減ってしまい、水平解像度が低くなる。このため、走査振幅を抑制する側で走査間隔を狭めるように、走査周波数を上げて変調する方が望ましい。

すなわち、斜め投射によって投射距離が遠くなる方向に低速走査する時には、高速走査周波数がｆ０から増加するよう周波数変調し、逆に投射距離が近くなる方向に低速走査する時には、高速走査周波数が減少してｆ０に戻るよう周波数変調する。これにより、斜め投射によって生じる台形歪と相殺するよう共振駆動された走査ミラーの補正走査動作によって、レーザビームの走査振幅を変化させることができると共に、走査間隔の低速走査方向への広がりも抑制することができる。つまり、図１に示した、画像の左側の走査間隔Ｐ１と右側の走査間隔Ｐ２との差を抑制することができる。よって、走査領域内における解像度の不均一を是正することが可能となる。

ここで、図９に、低速走査駆動波形と高速走査駆動波形との関係を表す波形図を示す。同図中の（ａ）に示す低速走査駆動波形の１周期は、例えば図５に示した走査領域の左端→右端→左端という１往復の水平方向の走査に対応する。実際には、走査ミラー３の駆動信号と実際の走査ミラー３の振動とは、回路を含めて一定の位相関係が生じるが、ここでは分かりやすいよう位相を合わせて描いてある。

図９中の（ｂ）に示す高速走査駆動波形は、低速走査駆動波形の１周期の始めにおいて、走査周波数をｆ０とし、半周期後にｆ１に変化し、１周期でｆ０に戻るように変調した波形となっている。すなわち、低速走査駆動波形の周期に同期させながら、高速走査駆動波形の周波数を漸次的に変化させているのである。そして、斜め投射によって投射距離が長くなる走査領域ほど高速走査周波数が高くなるように、低速走査駆動波形と高速走査駆動波形とを同期させているのである。

ここで、高速走査周波数の変調の仕方に関し、図９中の（ｃ）に示すように直線的に高速走査周波数を変化させると制御は簡単に行うことができるというメリットがある。また、同図中の（ｄ）に示すように曲線的に高速走査周波数を変化させると、周波数の変化が滑らかになり、走査ミラー３の振動が乱れることが少ないというメリットがある。また、図５に示したような走査振幅−走査周波数特性の曲線形状を考慮して高速走査周波数を変化させることで、走査振幅の変化を直線的に制御することも可能である。これにより、走査領域の台形歪みを補正した時の矩形形状の辺をより直線状に近づけることができる。

さらに、ｆ１より大きな周波数まで高速走査周波数を変調することで、低速走査方向の走査間隔の補正幅をより大きくすることもできる。このような高速走査周波数のオーバー変調を行うことによって、周波数変調による走査振幅抑制が大きくなり過ぎる場合は、同時に高速走査側の駆動電圧を上げて走査振幅を拡大する方向に制御してもよい。このように、高速走査駆動波形に対する周波数変調と電圧制御とを適宜組み合わせることによって、斜め投射によって発生する走査領域の台形歪みに対する補正の自由度、及び低速走査方向の走査間隔に対する補正の自由度をともに高めることができる。

また、走査ミラー３に照射するレーザビームの焦点を制御する焦点制御手段を設け、投射面上のビームスポット径を、上記周波数変調に合わせて制御してもよく、補正された走査間隔に合わせて投射面上のビームスポット径を適切に制御することが望ましい。この場合のレーザビームの焦点制御については、例えば、光源部１の集光レンズを光軸方向に変位させるアクチュエータと、当該アクチュエータを制御する制御部１４とにより実現できる。すなわち、光源部１が、図示しないレーザ光源、コリメートレンズ、集光レンズ、アクチュエータ等を備え、制御部１４が高速走査周波数の変化に対応してアクチュエータの駆動を制御する構成とすることができる。具体的には、走査間隔が相対的に広い走査領域では斜め投射面５上のビームスポット径を相対的に大きくする一方、走査間隔が相対的に狭い走査領域では斜め投射面５上のビームスポット径を相対的に小さくするように集光レンズの光軸上の位置を制御する。これにより、画面全体にわたって走査線が重なりすぎたり、隙間が開きすぎたりすることが抑制されるという効果がある。また、斜め投射面５上のビームスポット径が変化することによる輝度変化を補償するために、制御部１４が、レーザビームの焦点制御と併せてレーザビームの強度を制御する構成としてもよい。すなわち、レーザビーム強度を一定とした場合、斜め投射面５上のビームスポット径が大きくなるほど、斜め投射面５上の単位面積あたりの光量が減り、輝度が低くなる。そこで、斜め投射面５上のビームスポット径が相対的に大きくなる走査領域では、レーザビームの強度を相対的に高くする一方、ビームスポット径が相対的に小さくなる走査領域では、レーザビームの強度を相対的に低くするように前記光源部を制御する。これにより、走査領域における輝度ムラを低減することができる。

以上のように、投射面を走査中心軸に対して傾けて設置する場合、走査ミラーの高速走査周波数を適切に変調することで、走査領域の形状の台形歪みを抑え、同時に、走査間隔が広がるのも抑制することが可能で、無効領域が少なく、解像度の悪化も少ない良好な画像表示が実現できる。

ところで、振動系（走査ミラー３）の共振周波数は、温度によって変動する場合がある。一般的には、温度が上がると、熱膨張によって支持系のバネ定数が下がるが、可動部のイナーシャは変化しないため、上式（９）から明らかなように、共振周波数は低下する。

図６Ａ及び図６Ｂに、共振周波数が変化した場合の走査ミラー３の走査振幅−走査周波数特性を示す。図６Ａは共振周波数が上がった場合、図６Ｂは共振周波数が下がった場合である。

図６Ａに示すように、走査ミラー３の共振周波数がｆ０からｆ０’に上がった場合、走査振幅−走査周波数特性は実線から破線へ変化する。この場合、ｆ０＜ｆ１に対してＡ０＞Ａ１の関係にあった走査周波数と走査振幅との関係が変化する。すなわち、ｆ０からｆ１へ漸次的に周波数変調した際、走査振幅はＡ０’から一旦増加してＡ０となりその後Ａ０からＡ１’に減少するような変化となり、走査周波数の漸増変化に対して走査振幅が漸減変化するという元の関係が崩れる。よって、この場合、図５に示したような、台形状の走査領域に制御することができなくなる。

一方、図６Ｂに示すように、走査ミラー３の共振周波数が下がった場合、走査振幅−走査周波数特性は実線から破線へ変化するが、この場合は図６Ａの場合とは異なる。すなわち、ｆ０からｆ１へ漸次的に周波数変調した際、実線で示す共振周波数が下がる前の走査振幅もＡ０からＡ１に漸次的に減少するし（Ａ０＞Ａ１）、同様に破線で示す共振周波数が下がった後の走査振幅もＡ０’からＡ１’に漸次的に減少する（Ａ０’＞Ａ１’）。このように、走査ミラー３の共振周波数が下がっても、ｆ０＜ｆ１に対してＡ０＞Ａ１、ならびにＡ０’＞Ａ１’の関係（すなわち、走査周波数の漸増変化に対して走査振幅が漸減変化するという関係）は保持されているので、台形状の走査領域に制御することが可能である。なお、共振周波数が下がったことにより、走査振幅は、Ａ１〜Ａ０からＡ１’〜Ａ０’へと全体的に減少する。この全体的な走査振幅の減少分は、駆動電圧（高速走査駆動波形信号の電圧）を上げることで補正可能である。

ここで、走査ミラー３を高速走査方向に駆動する高速走査周波数は、低速走査周波数の周期に同期して変化するので、所定の帯域（上記の場合ｆ０からｆ１）を有することとなるが、当該帯域における最も低い周波数を「基本周波数」とする。

従って、周波数変調の基本周波数を、共振周波数が最も高い時に設定すれば、それ以上共振周波数が上がることはないので、走査周波数の漸増変化に対して走査振幅が漸減変化するという関係が維持され、走査振幅の制御に支障を来たすことがない。

共振周波数が最も高い時は、すなわち、走査ミラー３の振動系の温度が最も低い時である。従って、使用温度範囲（動作温度範囲）で最も低温時の共振周波数を、周波数変調の基本周波数とすればよい。

さらに、走査ミラー３の振動系の温度は、照射されるレーザのパワーによっても変動する。走査ミラー３のミラー部の表面には、一般的にはアルミニウムの反射膜が形成される。アルミニウムの反射率は、レーザの波長によって、８０〜９０％の値となり、吸収された１０〜２０％は熱となってミラー部やその周辺の支持部の温度を上昇させる。照射されるレーザパワーは、表示する画像の輝度によって決まり、表示画像が全面白の時に最大であり、全面黒の時はゼロである。従って、全面黒表示の時に走査ミラー３の振動系の温度は最も低くなり、よって走査ミラー３の共振周波数は最も高くなる。

以上のことから、高速走査周波数を変調して走査振幅を制御するには、使用温度で最も低温時に、全面黒表示した時の共振周波数を基本周波数とすればよい。こうすれば、周囲温度変化や、照射レーザパワーによる走査ミラー３の振動系の温度変化によって共振周波数が変動しても、確実に走査振幅を制御することができる。

上記のように、走査ミラー３の共振周波数は、（１）使用環境温度と、（２）画像の輝度に応じたレーザパワーとの２つの条件によって変化する。このため、上記の各条件に応じて共振周波数の変化を推定すれば、高速走査駆動の基本周波数を変更する構成とすることも可能である。

なお、常温付近で使用する場合は、上記（１）使用環境温度よりも上記（２）画像の輝度に応じたレーザパワーの方が、走査ミラー３の振動系の温度に与える影響は大きく、共振周波数の変化により大きく寄与する。但し、後述するように走査型画像表示装置を車載用とする場合などでは、車内の環境温度が相当な高温になることもあり、上記（１）使用環境温度が共振周波数の変化に大きく寄与することもある。

そこで、使用環境温度を検知する温度センサを設け、制御部が当該温度センサの検知結果に基づいて高速走査駆動の基本周波数を変更する構成としてもよい。また、上記（２）画像の輝度に応じたレーザパワーに応じて、制御部が高速走査駆動の基本周波数を変更する構成としてもよい。この制御の一例としては、所定時間毎に画像の平均輝度を算出し、当該平均輝度に応じて制御部が基本周波数を変更するものとすることができる。

なお、走査ミラー３の振動系（特に支持部４２）の温度を直接検出し、当該検出温度によって上式（９）のバネ定数Ｋを補正すれば、上記（１）及び（２）の条件が共に反映された共振周波数を算出できる。そこで、走査ミラー３の振動系の温度を直接検出する温度センサを設け、制御部が当該温度センサの検知結果に基づいて高速走査駆動の基本周波数を変更する構成としてもよい。

上記のように、（１）及び／又は（２）の条件に応じて高速走査駆動の基本周波数を変更することにより、共振周波数が変化しても、常に基本周波数が共振周波数近傍となるように補正することができる。よって、常時効率のよい共振条件近傍での駆動ができ、走査ミラー３の小型化及び消費電力の低減が可能となる。

以上のように、２軸走査ミラーを用いた画像表示装置で投射面を走査中心軸に対して傾けて設置する場合、走査ミラーの高速走査周波数を適切に変調することで、走査領域の形状の台形歪を抑え、同時に、走査間隔が広がるのも抑制することが可能で、無効領域が少なく、解像度の悪化も少ない良好な画像表示が実現できる。

また、周囲温度変化や、照射レーザパワーによる振動系の温度変化によって共振周波数が変動しても、確実に走査振幅を制御することができる。

このような構成により、図８Ａ及び図８Ｂに示したような、眼鏡型の画像表示装置（ＨＭＤ）が実現できる。

本実施の形態の走査型画像表示装置１１は、眼鏡型の画像表示装置のみならず、例えば、車載用走査型画像表示装置、据え置き型プロジェクタ、ポータブル型プロジェクタなどの各種走査型画像表示装置に適用できる。以下に、車載用走査型画像表示装置を例示する。

（実施の形態２）
次に、本発明の走査型画像表示装置を車載用に適用した実施例について説明する。

図７は本発明の実施の形態２における車載用走査型画像表示装置の配置を示す概略図である。同図は自動車の運転席を後方から見た図であり、車内にはフロントガラス７１、バックミラー７２、ステアリング７３などが設置されている。そして、車載用走査型画像表示装置は、ダッシュボード中央部の投射開口７４から、ステアリング７３の背後に設けられた表示領域（投射面）にインストルメントパネル部表示７６を投射している。インストルメントパネル部表示７６としては、スピードメータや各種インジケータなどを表示する。

また、車載用走査型画像表示装置は、投射開口７５より、フロントガラス７１（投射面）に向って、運転席部表示７７や、助手席部表示７８を投射している。すなわち、車載用走査型画像表示装置は、いわゆるヘッドアップディスプレイである。フロントガラス７１に投射される運転席部表示７７や助手席部表示７８としては、スピード表示、暗視画像、歩行者や障害物に対する衝突警告表示、ナビゲーション情報などを例示することができる。

車載用走査型画像表示装置は、実施の形態１で説明した構成を有するので、投射面に対して斜めに投射しても、走査領域の台形歪みを抑えるとともに、走査間隔の広がりも抑制できる。よって、運転席周辺の限られたスペースの中に小型の走査型画像表示装置を組み込み、様々な位置へ文字や記号等を表示することができる。

なお、上記の各実施の形態では、走査ミラーと投射面との斜め配置関係が固定された例を説明したが、一般的なプロジェクタのように、外部のスクリーンへ任意の角度で投射するような構成でも同様に適用可能である。

走査ミラーと投射面との配置関係が固定の場合は、レーザビームの投射面への入射角αが事前に分っているので、当該入射角αに応じた変調度（高速走査周波数の基本周波数からの変化量）を製品の製造時や取り付け時に設定しておくことができる。

これに対して、走査ミラーと投射面との配置関係が固定でない場合は、例えば、ユーザーが変調度を任意に設定できる設定部を設け、走査領域の台形補正の度合いに応じてユーザーが補正量を調整できるようにしてもよい。また、走査ミラーと投射面との位置関係を認識し得るセンサ部を設け、制御部が自動的に変調度を設定する構成とすることもできる。例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ等の撮像センサにより投射面を撮像して走査領域の台形歪みを認識し、当該台形歪みを是正するように制御部が変調度を自動で調整する構成とすることができる。

また、通常のプロジェクタのように、投射面が垂直であることが前提の場合は、走査型画像表示装置自身の傾きを検知することで補正量が推測できるため、それに応じて変調度を自動設定することも可能である。

また、本実施の形態では単体で２次元走査する２軸走査ミラーを用いた場合を説明したが、２個の１軸走査ミラーを用いても良い。すなわち、本実施の形態では、図４に示すような１チップで２軸走査が可能な２軸共振型ＭＥＭＳミラーを例示した。しかし、高速走査方向及び低速走査方向の駆動に１軸走査ＭＥＭＳミラーをそれぞれ適用してもよい。また、低速走査方向の駆動には、例えばガルバノミラーを適用することもできる。すなわち、本実施の形態の走査型画像表示装置は、走査ミラーの高速走査周波数を変化させることで走査振幅を制御することに特徴を有し、走査ミラーとしては様々な構成を適用できる。

以上のように、本発明の一局面に係る走査型画像表示装置は、レーザビームを出射する光源部と、前記レーザビームを第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向に２次元走査する走査ミラーと、前記走査ミラーの駆動を制御する制御部とを含み、前記制御部は、前記第１方向の走査周波数が前記第２方向の走査周波数よりも高い周波数となるように前記走査ミラーを駆動するとともに、前記第２方向の走査周波数の周期に同期させて前記第１方向の走査周波数を変化させることにより前記第１方向の走査振幅を変化させることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記走査ミラーがレーザビームを２次元走査することにより、表示画像が形成される。ここで、レーザビームは、第１方向の方が第２方向よりも高い周波数で走査される（すなわち、第１方向が高速走査方向であり、第２方向が低速走査方向である）。前記走査ミラーは、当該走査ミラーの第１方向の共振周波数で駆動した場合に第１方向の走査振幅が最大を示し、当該共振周波数から外れる程に走査振幅が減少するという走査振幅−走査周波数特性を有する。この走査振幅−走査周波数特性を用いれば、第１方向の走査周波数を変化させることにより前記第１方向の走査振幅を変化させることができる。そこで、走査ミラーの駆動を制御する制御部は、第２方向の走査周波数の周期に同期させて、第１方向の走査周波数を変化させ、これにより第１方向の走査振幅を変化させている。従来では、走査ミラーの駆動電圧を変化させて走査振幅を調整しているが、本発明は走査周波数を変化させることにより走査振幅を調整しており、走査振幅を調整する構成が従来と本発明とでは全く異なっている。本構成によれば、例えば第２方向の走査周波数が比較的高い場合でも、上記従来の構成に比べてより確実に走査振幅を調整でき、走査領域を所望の形状に調整することを可能とする。これにより、斜め投射時においても高画質の画像を表示することができる。

前記制御部は、前記第２方向の走査周波数の前半半周期においては前記第１方向の走査周波数を基本周波数から漸増変化させる一方、前記第２方向の走査周波数の後半半周期においては前記第１方向の走査周波数を漸減変化させて前記基本周波数に戻す構成とすることが好ましい。

上記の構成によれば、第２方向の走査周波数の周期に同期させて第１方向の走査周波数を変化させる場合、第２方向の走査周波数の前半半周期では第１方向の走査周波数を漸増変化させ、後半半周期では第１方向の走査周波数を漸減変化させる。これにより、第２方向の走査周期に同期して滑らかに第１方向の走査振幅を調整できる。

上記の構成において、前記走査ミラーによって走査された前記レーザビームが投射面に対して斜めに投射されたときに、前記走査ミラーから前記投射面までの投射距離が変化する方向に前記第２方向が設定され、前記制御部は、前記第２方向の走査により前記投射距離が漸増するときは前記第１方向の走査周波数を基本周波数から漸増変化させる一方、前記第２方向の走査により前記投射距離が漸減するときは前記第１方向の走査周波数を漸減変化させて前記基本周波数に戻すことが好ましい。

上記の構成によれば、投射面に対してレーザビームを斜めに投射した場合において、第２方向の走査により投射距離が漸増するときは第１方向の走査周波数を漸増変化させる。逆に、投射距離が漸減するときは第１方向の走査周波数を漸減変化させる。これにより、投射面上における走査領域の台形歪みを矩形状に補正することができる。さらに、第２方向の投射距離が漸増することに対応して、第１方向の走査周波数も漸増させているので、走査領域における走査間隔の広がりを抑制することができ、走査領域における解像度の均一化が図れる。

前記第１方向の前記基本周波数は、表示画像が全面黒のときにおける前記走査ミラーの第１方向の共振周波数に設定されていることが好ましい。

上記の構成において、表示画像が全面黒のときとは、表示画像全体の輝度がゼロのとき、すなわちレーザビームのパワーがゼロのときである。この場合、走査ミラーの振動系の温度は表示画像が全面黒以外のときよりも低くなり、よって走査ミラーの第１方向の共振周波数は最も高くなる。したがって、第１方向の基本周波数を、表示画像が全面黒のときにおける第１方向の共振周波数に設定すれば、表示画像が全面黒以外になって第１方向の共振周波数が変動しても、第１方向の走査周波数の漸増変化に対して第１方向の走査振幅が漸減変化するという関係が維持され、第１方向の走査振幅の制御に支障を来たすことがない。

上記の構成において、前記第１方向の前記基本周波数は、動作温度範囲内で最も低温のときにおける前記走査ミラーの第１方向の共振周波数に設定されていることが好ましい。

上記の構成によれば、動作温度範囲内で最も低温のとき、走査ミラーの振動系の温度はその他の動作温度のときよりも低くなり、よって走査ミラーの第１方向の共振周波数は最も高くなる。したがって、第１方向の基本周波数を、動作温度範囲内で最も低温のときにおける第１方向の共振周波数に設定すれば、動作温度範囲内で動作温度が変化して第１方向の共振周波数が変動しても、第１方向の走査周波数の漸増変化に対して第１方向の走査振幅が漸減変化するという関係が維持され、第１方向の走査振幅の制御に支障を来たすことがない。

前記走査ミラーが２軸共振ミラーであり、前記第１方向の前記基本周波数が前記走査ミラーの第１方向の共振周波数近傍に設定されていることが好ましい。

これにより、第１方向の共振周波数近傍の条件で効率よく走査ミラーを共振駆動することができるので、走査ミラーの小型化及び消費電力の低減が可能となる。

前記制御部は、前記第１方向の走査周波数を変化させることによって前記第１方向の走査振幅及び前記第２方向の走査間隔を調整するとともに、前記走査ミラーの駆動電圧を変化させることによって前記第１方向の走査振幅の調整を行うことが好ましい。

このように、第１方向の走査周波数を変化させる制御と、走査ミラーの駆動電圧を変化させる制御とを組み合わせることにより、斜め投射によって発生する走査領域の台形歪みに対する補正の自由度、及び第２方向の走査間隔に対する補正の自由度をともに高めることができる。これにより、斜め投射時においてより高画質の画像を表示できる。

前記投射面における第２方向の走査間隔が広い走査領域ほど当該投射面における前記レーザビームのビームスポット径が大きくなるように前記レーザビームの焦点を制御する焦点制御部をさらに含むことが好ましい。

これにより、投射面に表示される画面全体にわたって走査線が重なりすぎたり、走査線の隙間が開きすぎたりすることが抑制されるという効果を奏する。

前記投射面における前記レーザビームのビームスポット径が大きいほど当該レーザビームの強度が低くなるように前記光源部を制御するビーム強度制御部をさらに含むことが好ましい。

これにより、投射面に表示される画面全体の輝度ムラを低減することができる。

前記第１方向の走査周波数における基本周波数からの変化量を設定する変調度設定部をさらに含むことが好ましい。

これにより、走査ミラーと投射面との配置関係が固定でない場合でも、当該配置関係に応じて変調度設定部により基本周波数からの変化量を調整するため、走査領域の台形歪みを適切に補正できる。

上記の構成において、眼鏡レンズと、前記投射面として眼鏡レンズの表面に形成されたホログラムミラーとをさらに含むことが好ましい。

これにより、高画質の画像を表示できる眼鏡型の走査型画像表示装置を実現できる。

なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。

本発明にかかる走査型画像表示装置は、走査パターンの形状を適切に設定し、眼鏡型ＨＭＤなどの画像表示装置、表示システムなどの用途に応用できる。

Claims (11)

1. レーザビームを出射する光源部と、
   前記レーザビームを第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向に２次元走査する走査ミラーと、
   前記走査ミラーの駆動を制御する制御部と、を含み、
   前記制御部は、前記第１方向の走査周波数が前記第２方向の走査周波数よりも高い周波数となるように前記走査ミラーを駆動するとともに、前記第２方向の走査周波数の周期に同期させて前記第１方向の走査周波数を変化させることにより前記第１方向の走査振幅を変化させることを特徴とする走査型画像表示装置。
2. 前記制御部は、前記第２方向の走査周波数の前半半周期においては前記第１方向の走査周波数を基本周波数から漸増変化させる一方、前記第２方向の走査周波数の後半半周期においては前記第１方向の走査周波数を漸減変化させて前記基本周波数に戻すことを特徴とする請求項１記載の走査型画像表示装置。
3. 前記走査ミラーによって走査された前記レーザビームが投射面に対して斜めに投射されたときに、前記走査ミラーから前記投射面までの投射距離が変化する方向に前記第２方向が設定され、
   前記制御部は、前記第２方向の走査により前記投射距離が漸増するときは前記第１方向の走査周波数を基本周波数から漸増変化させる一方、前記第２方向の走査により前記投射距離が漸減するときは前記第１方向の走査周波数を漸減変化させて前記基本周波数に戻すことを特徴とする請求項１または２記載の走査型画像表示装置。
4. 前記第１方向の前記基本周波数は、表示画像が全面黒のときにおける前記走査ミラーの第１方向の共振周波数に設定されていることを特徴とする請求項２または３記載の走査型画像表示装置。
5. 前記第１方向の前記基本周波数は、動作温度範囲内で最も低温のときにおける前記走査ミラーの第１方向の共振周波数に設定されていることを特徴とする請求項２ないし４の何れか１項に記載の走査型画像表示装置。
6. 前記走査ミラーが２軸共振ミラーであり、前記第１方向の前記基本周波数が前記走査ミラーの第１方向の共振周波数近傍に設定されていることを特徴とする請求項２ないし５の何れか１項に記載の走査型画像表示装置。
7. 前記制御部は、前記第１方向の走査周波数を変化させることによって前記第１方向の走査振幅及び前記第２方向の走査間隔を調整するとともに、前記走査ミラーの駆動電圧を変化させることによって前記第１方向の走査振幅の調整を行うことを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の走査型画像表示装置。
8. 前記投射面における第２方向の走査間隔が広い走査領域ほど当該投射面における前記レーザビームのビームスポット径が大きくなるように前記レーザビームの焦点を制御する焦点制御部をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の走査型画像表示装置。
9. 前記投射面における前記レーザビームのビームスポット径が大きいほど当該レーザビームの強度が低くなるように前記光源部を制御するビーム強度制御部をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の走査型画像表示装置。
10. 前記第１方向の走査周波数における基本周波数からの変化量を設定する変調度設定部をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の走査型画像表示装置。
11. 眼鏡レンズと、
    前記投射面として眼鏡レンズの表面に形成されたホログラムミラーとをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の走査型画像表示装置。

Images