JP6813769B2 - 光走査制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光走査制御装置に関する。
レーザ光を走査して画像を表示する光走査制御装置が知られている。このような光制御装置において、スペックルノイズによる影響を抑制するために、スクリーンとしてマイクロレンズアレイを用いる場合がある。
しかしながら、スクリーンとしてマイクロレンズアレイを用いると、レンズ配列の規則性のために、干渉模様が視認される場合がある。これを防止するために、例えば、複数のマイクロレンズが配列された第1及び第2マイクロレンズアレイ部を有し、第1マイクロレンズアレイ部に配列されたマイクロレンズ同士の間隔を、第2マイクロレンズアレイ部に配列されたマイクロレンズ同士の間隔よりも狭く構成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−226303号公報
しかしながら、上記の光走査制御装置では、2枚のマイクロレンズアレイが必要となるため、コストが上昇するという問題があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、コスト上昇を抑制しつつスペックルノイズ及び干渉模様を低減することが可能な光走査制御装置を提供することを課題とする。
本光走査制御装置(1)は、レーザ(211R、211G、211B)から出射された光を走査する走査手段(310)と、前記走査手段(310)により走査された光が結像するスクリーン(50)と、を有し、前記スクリーン(50)の光の入射側若しくは出射側の少なくとも一方の面にディスプレイの画素に相当する複数のマイクロレンズ(50m)が配列され、夫々の前記マイクロレンズ(50m)の光軸を前記マイクロレンズ(50m)の中心と定義したときに、夫々の前記マイクロレンズ(50m)の中心は、平面視において、第1の方向、前記第1の方向と直交する第2の方向の少なくとも1方向において、隣接する前記マイクロレンズ(50m)の中心間距離ランダムで異なる間隔となるように配列され、夫々の前記マイクロレンズ(50m)の中心が、平面視において、前記第1の方向及び前記第2の方向に等間隔に配置したときの前記マイクロレンズ(50m)の中心の座標に対して前記マイクロレンズ(50m)の中心が前記1方向の偏差したときの座標は、夫々の前記マイクロレンズ(50m)の中心が平面視において、前記第1の方向及び前記第2の方向に等間隔に配置された場合の中心間距離を基準距離としたときに、前記基準距離に対する夫々の前記マイクロレンズ(50m)の中心の前記1方向の偏差の正負の分布割合が正規分布又は一様分布により均等であり、前記分布割合が正規分布又は一様分布となるような乱数によって設定されるランダムな数値によって決定され、前記マイクロレンズ(50m)の中心の偏差は、前記基準距離に対して30%以下であることを要件とする。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
開示の技術によれば、コスト上昇を抑制しつつスペックルノイズ及び干渉模様を低減することが可能な光走査制御装置を提供できる。
本実施の形態に係る光走査制御装置を例示するブロック図である。 光走査制御装置を構成する光走査部を例示する平面図である。 本実施の形態に係る光走査制御装置を例示する外観図(その1)である。 本実施の形態に係る光走査制御装置を例示する外観図(その2)である。 比較例に係るマイクロレンズアレイを例示する図(その1)である。 本実施の形態に係るマイクロレンズアレイを例示する図(その1)である。 基準距離について説明する図(その1)である。 マイクロレンズの座標の偏差量の分布について説明する図である。 比較例に係るマイクロレンズアレイを例示する図(その2)である。 本実施の形態に係るマイクロレンズアレイを例示する図(その2)である。 基準距離について説明する図(その2)である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
図1は、本実施の形態に係る光走査制御装置を例示するブロック図である。図2は、光走査制御装置を構成する光走査部を例示する平面図である。図3及び図4は、本実施の形態に係る光走査制御装置を例示する外観図である。
(光走査制御装置の概略構成)
まず、図1〜図4を参照して、光走査制御装置1の概略構成について説明する。光走査制御装置1は、主要な構成要素として、回路部10と、光源部20と、光走査部30と、光学部40と、スクリーン50と、光量検出センサ60とを有し、これらは筐体100に格納されている。光走査制御装置1は、例えば、レーザ走査型プロジェクタである。
回路部10は、光源部20や光走査部30を制御する部分であり、例えば、システムコントローラ11やCPU(Central Processing Unit)12、各種駆動回路等により構成することができる。
光源部20は、LDモジュール21と、温度制御部22と、温度センサ23と、減光フィルタ24とを有する。
LDモジュール21は、電流値に応じて出射する光量が変化するレーザ211R、211G、及び211Bや、レーザ211R、211G、及び211Bの夫々の直近の光量をモニタする光量検出センサ215等を備えている。レーザ211Rは、例えば、赤色半導体レーザであり、波長λR(例えば、640nm)の光を出射することができる。レーザ211Gは、例えば、緑色半導体レーザであり、波長λG(例えば、530nm)の光を出射することができる。レーザ211Bは、例えば、青色半導体レーザであり、波長λB(例えば、445nm)の光を出射することができる。光量検出センサ215としては、例えば、フォトダイオード等を用いることができる。光量検出センサ215は、減光フィルタ24を通過前の光量を検出できる任意の位置に配置することができる。
温度制御部22は、レーザ211R、211G、及び211Bを所定の温度に制御することができる。温度センサ23は、レーザ211R、211G、及び211Bの夫々の温度を検出することができる。温度制御部22としては、例えば、ペルチェ素子を用いることができる。温度センサ23としては、例えば、サーミスタを用いることができる。
減光フィルタ24は、ミラー310の前段に配置され、レーザ211R、211G、及び211Bから出射された光(合成後の光)が入射する。減光フィルタ24は、スクリーン50上の輝度を調整する機能を有する。減光フィルタ24としては、ND(Neutral Density)フィルタや液晶素子、偏光フィルタ等を用いることができる。減光フィルタ24は、入射光の光軸に対して傾けて挿入され、透過しない光(減光される光)は、減光フィルタ24によって吸収若しくは反射される。
光走査部30は、例えば、圧電素子によりミラー310を駆動させるMEMS(Micro Electro Mechanical System)である。ミラー310は、レーザ211R、211G、及び211Bから出射された光(合成後の光)を反射させ、映像信号に応じて入射光を水平方向及び垂直方向の2次元に走査してスクリーン50に結像させる走査手段として機能する。
具体的には、図2に示すように、ミラー310は、軸を構成する捻れ梁331及び332により両側から支持されている。捻れ梁331及び332と直交する方向に、ミラー310を挟むように、駆動梁351及び352が対をなして設けられている。駆動梁351及び352の夫々の表面に形成された圧電素子により、捻れ梁331及び332を軸として、ミラー310を軸周りに揺動させることができる。ミラー310が捻れ梁331及び332の軸周りに揺動する方向を、以後、水平方向と呼ぶ。駆動梁351及び352による水平駆動には、例えば共振振動が用いられ、高速にミラー310を駆動することができる。水平変位センサ391は、ミラー310が水平方向に揺動している状態におけるミラー310の水平方向の傾き具合を検出するセンサである。
又、駆動梁351及び352の外側には、駆動梁371及び372が対をなして設けられている。駆動梁371及び372の夫々の表面に形成された圧電素子により、ミラー310を水平方向と直交する方向である垂直方向に揺動させることができる。垂直変位センサ395及び396は、ミラー310が垂直方向に揺動している状態におけるミラー310の垂直方向の傾き具合を検出するセンサである。なお、光走査部30は、例えば、ユニット150(図3(b)参照)において、駆動回路等と共にセラミックパッケージに搭載され、セラミックカバーに覆われている。
光学部40は、光走査部30にて走査された光をスクリーン50に投射するための光学系であり、例えば、図3(b)等に示すように、反射ミラー41、反射ミラー42、反射ミラー43、凹面ミラー44等を含んで構成することができる。但し、必要に応じ、反射ミラーに代えてレンズを用いてもよい。光走査部30から光学部40に入射した光は、凹面ミラー44により略平行光とされてスクリーン50に結像し、スクリーン50に映像信号に応じた画像が描画される。
スクリーン50は、スペックルと呼ばれる粒状に見える画像のノイズを除去するため、マイクロレンズアレイを備えている。マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、ディスプレイの画素に相当し、照射されるレーザビームはマイクロレンズのサイズに比べて等しいか、より小さいことが望ましい。スクリーン50を構成するマイクロレンズアレイの詳細については後述する。
光量検出センサ60は、減光フィルタ24を通過後の光量を検出できる任意の位置に配置することができる。光量検出センサ60は、減光フィルタ24を通過後のレーザ211R、211G、及び211Bの夫々の光量を独立に検出可能である。光量検出センサ60としては、例えば、1つ又は複数のフォトダイオード等を用いることができる。
(光走査制御装置の概略動作)
次に、光走査制御装置1の概略動作について説明する。システムコントローラ11は、例えば、ミラー310の振れ角制御を行うことができる。システムコントローラ11は、例えば、水平変位センサ391、垂直変位センサ395及び396で得られるミラー310の水平方向及び垂直方向の傾きをバッファ回路13を介してモニタし、ミラー駆動回路14に角度制御信号を供給することができる。そして、ミラー駆動回路14は、システムコントローラ11からの角度制御信号に基づいて、駆動梁351及び352、駆動梁371及び372に所定の駆動信号を供給し、ミラー310を所定角度に駆動(走査)することができる。
又、システムコントローラ11は、例えば、ディジタルの映像信号をレーザ駆動回路15に供給することができる。そして、レーザ駆動回路15は、システムコントローラ11からの映像信号に基づいて、レーザ211R、211G、及び211Bに所定の電流を供給する。これにより、レーザ211R、211G、及び211Bが映像信号に応じて変調された赤色、緑色、及び青色の光を発し、これらを合成することでカラーの画像を形成することができる。
CPU12は、例えば、レーザ211R、211G、及び211Bの根元の出射光量を光量検出センサ215の出力によりモニタし、LDモジュール21に光量制御信号を供給することができる。レーザ211R、211G、及び211Bは、CPU12からの光量制御信号に基づいて、所定の出力(光量)になるように電流制御される。
なお、光量検出センサ215は、レーザ211R、211G、及び211Bの出射光量を独立に検出する3つのセンサを含む構成とすることができる。或いは、光量検出センサ215は、1つのセンサのみから構成してもよい。この場合には、レーザ211R、211G、及び211Bを順次発光させて、1つのセンサで順次検出することで、レーザ211R、211G、及び211Bの出射光量の制御が可能となる。
又、CPU12は、レーザ211R、211G、及び211Bの温度を温度センサ23の出力によりモニタし、温度制御回路16に温度制御信号を供給することができる。そして、温度制御回路16は、CPU12から温度制御信号に基づいて、温度制御部22に所定の電流を供給する。これにより、温度制御部22が加熱又は冷却され、各レーザが所定の温度になるように制御することができる。
光量検出センサ60は、減光フィルタ24を通過後の光量を検出する。前述のように、各レーザの光量調整を実施するための光量検出センサ215はLDモジュール21の中に実装されており、レーザ211R、211G、及び211Bの根元の(減光フィルタ24を通過前の)出射光量を検出している。しかしながら、光走査制御装置1で実際に表示される画像はスクリーン50に結像した光によるので、根元のレーザ光量による調整では正しい調整ができない場合がある。
例えば、光路上に減光フィルタ24を設けているので、減光フィルタ24の特性によっては、期待通りの減光比が得られないことから、減光フィルタ24を通過後の光量が期待通りにならない場合がある。又、減光フィルタ24のR/G/B夫々の減光比にばらつきがある場合に至っては、減光フィルタ24を通過後のホワイトバランスが崩れてしまうおそれがある。又、温度や経年劣化により、光走査部30の特性が変動する場合もある。このような問題は、光量検出センサ215により、光走査部30を通過前の光量を如何に精密に制御しても解決することはできない。
そこで、光走査制御装置1では、減光フィルタ24を通過後の光量を検出する光量検出手段として、光量検出センサ60を設けている。光量検出センサ60の検出結果は制御手段であるCPU12に入力され、CPU12は光量検出センサ60で検出した光量に基づいて、各レーザの電流値を制御する光量制御信号をLDモジュール21に供給することができる。
これにより、減光フィルタ24や光走査部30の特性の変動を含めたレーザ光の光量を検出できるため、スクリーン50に実際に表示される画像に対応した正確な光量制御を行うことが可能となる。なお、光量検出センサ60は、レーザ211R、211G、及び211Bの夫々の光量を独立に検出可能であり、CPU12は、光量検出センサ60で検出した夫々の光量に基づいて、夫々のレーザの電流値を制御すことができる。
(マイクロレンズアレイ)
以下、スクリーン50のマイクロレンズアレイについて詳説する。図5は、比較例に係るマイクロレンズアレイ(従来のマイクロレンズアレイ)を例示する図(その1)であり、図5(a)は斜視図、図5(b)は各マイクロレンズの中心位置を模式的に示した平面図である。又、図6は、本実施の形態に係るマイクロレンズアレイを例示する図(その1)であり、図6(a)は斜視図、図6(b)は各マイクロレンズの中心位置を模式的に示した平面図である。
図5に示すように、従来のマイクロレンズアレイは、例えば、個々のマイクロレンズ500mの平面形状が四角形であり、各マイクロレンズ500mの中心500cが、X方向(横方向)及びX方向と直交するY方向(縦方向)に等間隔で配置されている。
これに対して、図6に示すように、本実施の形態に係るマイクロレンズアレイは、各マイクロレンズ50mの中心50cが、X方向及びY方向にランダム性を持って配置されている。つまり、各マイクロレンズ50mは、X方向及びY方向において、中心間距離をランダムにして配列されている(X方向及びY方向に異なる間隔で配置されている)。
スクリーン50においてマイクロレンズアレイが形成される面は、光の入射側若しくは出射側の何れかの面のみとすることができる。マイクロレンズアレイを何れの面に形成しても、後述のスペックル低減機能を保持しつつ干渉模様を低減する効果は同等である。但し、マイクロレンズアレイを光の入射側に形成すると、光の出射側から滑らかな画像を視認できる点で好適である。なお、光の入射側及び出射側の両面にマイクロレンズアレイを形成し、少なくとも一方の面のマイクロレンズの配置をランダムとした場合にも同様の効果が得られる。
図6(b)の各マイクロレンズ50mにおいて、十字線の交点は図5(b)の中心500cがあった位置を示しており、矢印は図5(a)の中心500cに対して中心50cがずれた方向を示している。
なお、各マイクロレンズ50mの曲率は球面形状、非球面形状の何れであってもよいが、何れの場合も各マイクロレンズ50mの厚み及び曲率半径は統一される。これにより、各マイクロレンズ50mの焦点距離を等しくすることができる。
次に、各マイクロレンズ50mの中心50cをランダム性を持って配置する手法について説明する。図7は、基準距離について説明する図(その1)であり、マイクロレンズアレイを模式的に例示する平面図である。
図7の各マイクロレンズ50mにおいて、十字線の交点は各マイクロレンズ50mの中心がX方向及びY方向に等間隔で配置された場合の位置を示している。このとき、隣接するマイクロレンズ50mのX方向の中心間距離を基準距離Rx、隣接するマイクロレンズ50mのY方向の中心間距離を基準距離Ryとする。基準距離Rx、基準距離Ryは、要求仕様に応じて適宜決定できるが、例えば、数10〜数100μm程度とすることができる。
ここで、マイクロレンズ50mがn個あるとし、各マイクロレンズ50mの中心が等間隔で配置された場合の中心座標を(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、・・・(xn,yn)とする。この時、各マイクロレンズ50mは基準距離Rx、基準距離Ry毎に配置され、これがマイクロレンズ50mの標準寸法となる。基準距離Rxと基準距離Ryは等しくてもよいし、異なっていてもよい。
次に、上記の中心座標に対する各マイクロレンズ50mの座標の偏差を(Δx1,Δy1)、(Δx2,Δy2)、(Δx3,Δy3)、・・・(Δxn,Δyn)とすると、各マイクロレンズ50mの中心座標は表1で表される。
Figure 0006813769
ここで、偏差(Δxi,Δyi)(i=1〜n)は乱数によって設定されるランダムな数値である。その偏差量の分布は、0を中心として正負の値をとることになるので、その正負の分布割合が均等となることが望ましい。つまり、基準距離Rx、基準距離Ryに対する各マイクロレンズ50mの中心間距離の偏差量の正負の分布割合が均等であることが望ましい。これは、例えば、図8(a)に例示する正規分布、若しくは、図8(b)に例示する一様分布等により実現することができる。
偏差量の分布を均等とすることにより、各マイクロレンズ50mのサイズの平均は、基準距離Rx、基準距離Ryと略等しくなる。そのため、スクリーン50の拡散角を、基準距離Rx、基準距離Ryで大きさが決まるレンズの開口数NA(Numerical Aperture)で求めることができる。
なお、発明者らの検討により、偏差量は、基準距離Rx、基準距離Ryに対して30%以下とすることが望ましい。つまり、Δx/Rx≦30%、Δy/Ry≦30%とすることが望ましい。これにより、スペックル低減機能を保持しつつ、干渉模様を低減することが可能となる。
なお、図5〜図7を参照して、マイクロレンズの平面形状が四角形である場合(升目状に配置された四角配列の場合)について説明したが、これには限定されない。例えば、マイクロレンズの平面形状は六角形(蜂の巣状に配置された三角配列)であってもよいし、これら以外の平面形状であってもよい。
マイクロレンズ500mの平面形状が六角形の場合を図9〜図10に示す。図9は、比較例に係るマイクロレンズアレイ(従来のマイクロレンズアレイ)を例示する図(その2)であり、図9(a)は斜視図、図9(b)は各マイクロレンズの中心位置を模式的に示した平面図である。又、図10は、本実施の形態に係るマイクロレンズアレイを例示する図(その2)であり、図10(a)は斜視図、図10(b)は各マイクロレンズの中心位置を模式的に示した平面図である。図11は、基準距離について説明する図(その2)であり、マイクロレンズアレイを模式的に例示する平面図である。
マイクロレンズ500mの平面形状が六角形の場合にも、マイクロレンズ500mの平面形状が四角形である場合と同様の手法により、各マイクロレンズ50mの中心50cをX方向及びY方向にランダム性を持って配置することができる。偏差量の分布を正規分布若しくは一様分布等とすることが望ましい点、及び、偏差量を基準距離Rx、基準距離Ryに対して30%以下とすることが望ましい点(つまり、Δx/Rx≦30%、Δy/Ry≦30%とすることが望ましい点)についても同様である。
このように、スクリーン50をマイクロレンズアレイ50mにより構成し、各マイクロレンズ50mの中心50cをX方向及びY方向にランダム性を持って配置することにより、スペックル低減機能を保持しつつ、干渉模様を低減することが可能となる。但し、各マイクロレンズ50mの中心50cをX方向、Y方向の何れか1方向のみにおいてランダム性を持って配置しても、スペックル低減機能を保持しつつ、干渉模様を低減することが可能となる。
なお、スクリーン50に照射した光ビームのスポット径(FWHM:半値幅)は、基準距離Rx、基準距離Ryよりも小さいことが望ましい。スクリーン50に照射した光ビームのスポット径が基準距離Rx、基準距離Ryよりも大きいと、光ビームが複数のマイクロレンズ50mに跨って照射される確率が高まり、干渉模様が発生し易くなるからである。
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上記の実施の形態では、本発明に係る光走査制御装置をレーザ走査型プロジェクタに適用する例を示した。しかし、これは一例であり、本発明に係る光走査制御装置は、スクリーンに画像を表示する様々な機器に適用可能である。このような機器としては、例えば、車載用のヘッドアップディスプレイ、レーザプリンタ、レーザ走査型脱毛器、レーザヘッドランプ、レーザーレーダ等を挙げることができる。
なお、本発明に係る光走査制御装置のスクリーンを中間スクリーンとし、映像を間接的にフロントガラスやコンバイナに映すことで、スペックルノイズと干渉模様を低減した車載用のヘッドアップディスプレイが構築できる。
又、上記の実施の形態では、3つのレーザを有する例を示したが、レーザは最低1つ有していればよい。この場合、単色の光走査制御装置を実現できる。
1 光走査制御装置
10 回路部
11 システムコントローラ
12 CPU
13 バッファ回路
14 ミラー駆動回路
15 レーザ駆動回路
16 温度制御回路
20 光源部
21 LDモジュール
22 温度制御部
23 温度センサ
24 減光フィルタ
30 光走査部
40 光学部
41、42、43 反射ミラー
44 凹面ミラー
50 スクリーン
50m マイクロレンズ
50c マイクロレンズの中心
60 光量検出センサ
100 筐体
150 ユニット
211R、211G、211B レーザ
215 光量検出センサ
310 ミラー
351、352、371、372 駆動梁
391 水平変位センサ
395、396 垂直変位センサ

Claims (5)

  1. レーザから出射された光を走査する走査手段と、
    前記走査手段により走査された光が結像するスクリーンと、を有し、
    前記スクリーンの光の入射側若しくは出射側の少なくとも一方の面にディスプレイの画素に相当する複数のマイクロレンズが配列され、
    夫々の前記マイクロレンズの光軸を前記マイクロレンズの中心と定義したときに、
    夫々の前記マイクロレンズの中心は、平面視において、第1の方向、前記第1の方向と直交する第2の方向の少なくとも1方向において、隣接する前記マイクロレンズの中心間距離ランダムで異なる間隔となるように配列され、
    夫々の前記マイクロレンズの中心が、平面視において、前記第1の方向及び前記第2の方向に等間隔に配置したときの前記マイクロレンズの中心の座標に対して前記マイクロレンズの中心が前記1方向の偏差したときの座標は、夫々の前記マイクロレンズの中心が平面視において、前記第1の方向及び前記第2の方向に等間隔に配置された場合の中心間距離を基準距離としたときに、前記基準距離に対する夫々の前記マイクロレンズの中心の前記1方向の偏差の正負の分布割合が正規分布又は一様分布により均等であり、前記分布割合が正規分布又は一様分布となるような乱数によって設定されるランダムな数値によって決定され、前記マイクロレンズの中心の偏差は、前記基準距離に対して30%以下である光走査制御装置。
  2. 夫々の前記マイクロレンズが等間隔で配置された場合の中心間距離を基準距離としたときに、前記基準距離に対する夫々の前記マイクロレンズの中心間距離の偏差量の正負の分布割合が均等である請求項1記載の光走査制御装置。
  3. 夫々の前記マイクロレンズが等間隔で配置された場合の中心間距離を基準距離としたときに、前記スクリーンに照射されるレーザのスポット径は、前記基準距離よりも小さい請求項1又は2記載の光走査制御装置。
  4. 夫々の前記マイクロレンズは、厚み及び曲率半径が統一されている請求項1乃至3の何れか一項記載の光走査制御装置。
  5. 夫々の前記マイクロレンズは、前記スクリーンの光の入射側の面に配列されている請求項1乃至4の何れか一項記載の光走査制御装置。
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