JP7478658B2 - 光偏向素子、表示装置及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光偏向素子、表示装置及び撮像装置に関する。

近年、小型且つ軽量なヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の開発がさかんに進められている。
ヘッドマウントディスプレイに適用される表示方式としては、マイクロディスプレイ方式、ＭＥＭＳミラー方式及びファイバースキャニング方式が一般に知られている。
しかしながら、マイクロディスプレイ方式は、他の方式よりも小型化及び軽量化が困難であり、ＭＥＭＳミラー方式は反射型であるため、更なる小型化が困難であり、ファイバースキャニング方式が注目されている。

従来技術の一例である特許文献１には、１次元移動用光学台を２台用いた２次元光走査装置が開示されている。
特許文献１には、水平方向に駆動するレンズと、垂直方向に駆動するレンズと、を用いて光走査を実現する技術が開示されている。

韓国公開特許第１０－２０１１－００００２７４号公報

しかしながら、上記の従来技術によれば、質量の大きいレンズを駆動させるため、高周波での駆動が困難である。
そのため、高解像度なラスタースキャンの実現が困難である、という問題があった。

本発明は、上記に鑑み、高解像度なラスタースキャンが可能な小型の光偏向素子を実現することを目的とする。

上述の課題を解決して目的を達成する本発明の一態様は、第１の光学素子と、前記第１の光学素子の光出射側端部を第１の方向に振動させるように前記第１の光学素子の光入射側端部に設けられた加振部と、前記第1の方向とは異なる方向である第２の方向に前記第１の光学素子よりも低速で運動する第２の光学素子と、を備える光偏向素子である。

上記構成の光偏向素子においては、前記第２の光学素子はレンズにより実現することができる。

上記構成の光偏向素子においては、前記第１の光学素子の前記第２の光学素子側の端に集光部を備えることができる。

上記構成の光偏向素子は、前記第１の光学素子が共振振動数で振動することにより実現することができる。

上記構成の光偏向素子においては、前記第１の光学素子は、導光路である光ファイバーを含むことにより実現することができる。

上記構成の光偏向素子において、前記第１の方向と前記第２の方向とは、互いに略垂直とすることにより実現することができる。

上記構成の光偏向素子は、表示装置又は撮像装置に適用することができる。

本発明によれば、高解像度なラスタースキャンが可能な小型の光偏向素子を実現することができる。

図１は、実施形態に係る光偏向素子の構成を示す図である。 図２は、実施形態に係る光偏向素子を制御する制御系の構成を示す機能ブロック図である。 図３（ａ）は、第１のアクチュエータ部の非駆動時における光偏向素子を示す断面図であり、図３（ｂ）は、第１のアクチュエータ部によって第１のレンズが第１の方向の正方向、すなわちｙ軸の正方向に移動した際の光偏向素子を示す断面図である。 図４（ａ）は、第２のアクチュエータ部の非駆動時における光偏向素子を示す断面図であり、図４（ｂ）は、第２のアクチュエータ部によって第２のレンズが第２の方向の正方向、すなわちｘ軸の正方向に移動した際の光偏向素子を示す断面図である。 図５（ａ）は、第３のアクチュエータ部の非駆動時における光偏向素子を示す断面図であり、図５（ｂ）は、第３のアクチュエータ部によって第２のレンズがｚ軸の負方向に移動した際の光偏向素子を示す断面図であり、図５（ｃ）は、第３のアクチュエータ部によって第２のレンズがｚ軸の正方向に移動した際の光偏向素子を示す断面図である。 図６は、実施形態に係る光偏向素子が行う２次元のイメージを描画する際のラスタースキャンを説明する図である。 図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１のレンズの形状を例示する図である。 図８は、実施形態に係る光偏向素子を適用したヘッドマウンドディスプレイの装着状態を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
ただし、本発明は、以下の実施形態の記載によって限定解釈されるものではない。

＜実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る光偏向素子１００の構成を示す図である。
図１に示す光偏向素子１００は、光源２００からの光を偏向して、イメージ２０１を表示する。
図１に示す光偏向素子１００は、ベース部１０１と、支持部１０２と、第１のアクチュエータ部１１１と、第２のアクチュエータ部１１２と、第３のアクチュエータ部１１３と、光ファイバー部１２０と、集光部としての第１のレンズ部１２１と、第２のレンズ部１２２と、を備える。
図１において、座標は右手系で定義され、光入射側から光出射側の方向をｚ軸の正方向と定義し、このｚ方向に垂直なｘｙ平面において、ｙ軸方向を第１の方向１３１と定義し、ｘ軸方向を第２の方向１３２と定義する。
ただし、第１の方向１３１と第２の方向１３２とは、異なる方向であればよく、略垂直であることが好ましい。

ベース部１０１は、光源２００からの光が光ファイバー部１２０に導入可能に構成された円柱状部材である。
ここでは、光ファイバー部１２０のベース部１０１との接続端部を光ファイバー部１２０の光入射側の端部と表す。
ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、光ファイバー部１２０は、ベース部１０１内まで延長されていてもよいし、ベース部１０１を貫通していてもよい。
なお、ベース部１０１の形状は円柱状に限定されるものではない。
また、光源２００としては、レーザダイオードを例示することができる。
ベース部１０１の光出射側には、第１のアクチュエータ部１１１及び第３のアクチュエータ部１１３が搭載されている。
支持部１０２は、例えば板状の部材であり、支持部１０２には第２のレンズ部１２２が搭載される。
図１に示す形態では、支持部１０２は２つの板状の部材であり、互いに対向して第２のレンズ部１２２を把持している。
ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、支持部１０２を構成する部材の数は、２つでなくてもよく、１つ以上のいずれであってもよい。
図１には、第２のレンズ部１２２がフランジを介して支持部１０２に接続する形態を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、支持部１０２と第２のレンズ部１２２とは、フランジを介さずに直接接続されていてもよい。

第１のアクチュエータ部１１１は、運動により自由端である光ファイバー部１２０の光出射側の端部を振動させる加振部である。
第１のアクチュエータ部１１１は、ベース部１０１及び光ファイバー部１２０に接続されている。
ここで、光出射側の端部の振動の方向は、第１の方向１３１の方向である。

第２のアクチュエータ部１１２は、第２のレンズ部１２２を第２の方向１３２の方向に移動させる駆動部である。
第２のアクチュエータ部１１２は、第３のアクチュエータ部１１３に接続されていてもよい。
又は、第２のアクチュエータ部１１２が長軸方向に延長されて、第２のアクチュエータ部１１２と第２のレンズ部１２２とが、直接接続されていてもよい。
第２のアクチュエータ部１１２が第３のアクチュエータ部１１３及び第２のレンズ部１２２に直接接続されている場合には、支持部１０２が設けられていなくてもよい。
第３のアクチュエータ部１１３は、第２のレンズ部１２２をｚ方向に移動させる駆動部である。
本発明において、第３のアクチュエータ部１１３は、設けられていなくてもよい。
第３のアクチュエータ部１１３が設けられていない場合には、第２のアクチュエータ部１１２はベース部１０１に直接接続されていることが望ましい。
また、第２のアクチュエータ部１１２がベース部１０１及び第２のレンズ部１２２に直接接続されている場合には、支持部１０２が設けられていなくてもよい。
第１のアクチュエータ部１１１、第２のアクチュエータ部１１２及び第３のアクチュエータ部１１３（以下、これらをまとめて「アクチュエータ部」と呼ぶこととする）の駆動原理としては、圧電駆動、静電駆動及び電磁駆動を例示することができる。
例えば、圧電駆動する圧電素子の場合には、屈曲振動、長さ振動、拡がり振動、厚み滑り振動又は厚み縦振動などの振動モードを適用することができる。
アクチュエータ部に用いられる素子の形状及び配置は、適用する振動モードに応じて適宜変更され得る。
また、アクチュエータ部の形状は、図１に示す板状に限定されるものではない。
アクチュエータ部の形状として、光ファイバー部１２０を内部に通した円筒形状を例示することができる。
アクチュエータ部の形状として円筒形状を用いた場合には、製造時の位置合わせが容易になる利点がある。
また、アクチュエータ部に用いられる素子の数は、図１に示す数に限定されるものではない。
アクチュエータ部の各構成は少なくとも１つの素子を備える。

光ファイバー部１２０は、光源２００からの光を第１のレンズ部１２１に伝える導光路として機能する部材である。
第１のレンズ部１２１は、光ファイバー部１２０の先端に設けられ、光ファイバー部１２０により伝えられた光を屈折させる部材であり、光ファイバー部１２０と共に、第１の光学素子を構成する。
ただし、光偏向素子１００の用途によっては、第１のレンズ１２１が設けられていなくてもよい。
第１の光学素子は、光出射側の端部を自由端とし、光入射側の端部を固定端とするカンチレバーを形成している。
第２の光学素子である第２のレンズ部１２２は、第１のレンズ部１２１からの光を屈折させる部材である。
光ファイバー部１２０と、第１のレンズ部１２１と、第２のレンズ部１２２と、により光源２００からの光の偏向が可能になる。
なお、第１の光学素子の光出射側の端部と第２の光学素子との相対位置の変化により光源２００からの光を偏向することができる。

カンチレバーを形成している光ファイバー部１２０では、固定端側に配置された第１のアクチュエータ部１１１による加振は増幅され、自由端側である第１のレンズ部１２１の振動の変位を大きくすることができる。
また、第１のレンズ部１２１は、より望ましくは、光ファイバー部１２０と、第１のレンズ部１２１と、第１のアクチュエータ部１１１との共振周波数で振動するため、安定した高速動作が可能であり、画像の乱れを抑えることができる。
但し、本発明において共振周波数には共振周波数の近傍も含み、共振現象を利用して振動の変位を十分に大きくすることができれば、いずれの周波数でもよい。
また、振動モードの次数は、１に限定されるものではない。

図２は、本発明の実施形態に係る光偏向素子１００を制御する制御系１４０の構成を示す機能ブロック図である。
図２に示す制御系１４０は、インターフェイス部１４１と、記憶部１４２と、ファイバースキャニング制御部１４３と、スポット位置算出部１４４と、光源制御部１４５と、光源駆動部１４６と、ＤＡ変換部１４７と、アクチュエータ駆動部１４８と、を備える。
インターフェイス部１４１は、表示するイメージデータを外部から受け取り、記憶部１４２に送る。
記憶部１４２は、インターフェイス部１４１からのイメージデータを記憶する。
記憶部１４２は、表示の歪みを低減するための補償に必要なデータを記憶してもよい。
ファイバースキャニング制御部１４３は、ファイバースキャニング制御情報をスポット位置算出部１４４及びＤＡ変換部１４７に出力する。
スポット位置算出部１４４は、ファイバースキャニング制御情報に基づいてスポット位置を算出し、記憶部１４２に記憶されたイメージデータを読み取り、当該イメージデータ及びスポット位置情報を光源制御部１４５に出力する。
光源制御部１４５は、イメージデータ及びスポット位置情報に基づいて光源制御情報を出力する。
光源駆動部１４６は、光源制御情報に基づいて光源２００を駆動する。
ＤＡ変換部１４７は、ファイバースキャニング制御情報をアナログデータに変換する。
アクチュエータ駆動部１４８は、アナログデータに変換されたファイバースキャニング制御情報に基づいて、第１のアクチュエータ部１１１と、第２のアクチュエータ部１１２と、第３のアクチュエータ部１１３と、を駆動する。

次に、第１のアクチュエータ部１１１、第２のアクチュエータ部１１２及び第３のアクチュエータ部１１３による光偏向素子１００の動作について説明する。

図３（ａ）は、第１のアクチュエータ部１１１の非駆動時における光偏向素子１００を示す断面図であり、図３（ｂ）は、第１のアクチュエータ部１１１によって第１のレンズ１２１が第１の方向１３１の正方向、すなわちｙ軸の正方向に移動した際の光偏向素子１００を示す断面図である。
図３（ａ），（ｂ）に示す断面図は、ｘ軸を横切るｙｚ面である。
図３（ａ），（ｂ）には、ベース部１０１と、第１のアクチュエータ部１１１と、光ファイバー部１２０と、第１のレンズ部１２１と、第２のレンズ部１２２と、光線束２０２と、が示されている。
第１のアクチュエータ部１１１が光ファイバー部１２０の固定端に加振することにより、光ファイバー部１２０の自由端に設けられた第１のレンズ部１２１は、第１の方向１３１に高速で振動する。

図４（ａ）は、第２のアクチュエータ部１１２の非駆動時における光偏向素子１００を示す断面図であり、図４（ｂ）は、第２のアクチュエータ部１１２によって第２のレンズ１２２が第２の方向１３２の正方向、すなわちｘ軸の正方向に移動した際の光偏向素子１００を示す断面図である。
図４（ａ），（ｂ）に示す断面図は、ｙ軸を横切るｘｚ面である。
図４（ａ），（ｂ）には、ベース部１０１と、支持部１０２と、光ファイバー部１２０と、第１のレンズ部１２１と、第２のレンズ部１２２と、光線束２０２と、が示されている。
第２のアクチュエータ部１１２が支持部１１１を介して第２のレンズ１２２を動かすことにより、第２のレンズ１２２は第２の方向１３２に第１のレンズ１２１よりも低速で運動する。

図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）に示すように、第１の方向１３１には高速で振動を行わせ、第２の方向１３２には第１の方向１３１よりも低速で運動させることができる。
第１の方向１３１の振動は、より望ましくは、光ファイバー部１２０と、第１のレンズ部１２１と、第１のアクチュエータ部１１１との共振周波数で行われる。
最適な共振周波数は、光ファイバー部１２０、第１のレンズ部１２１及び第１のアクチュエータ部１１１の各々の寸法、形状及び質量等によって、設計することができる。
最適な共振周波数を得るために、光ファイバー部１２０、第１のレンズ部１２１又は第１のアクチュエータ部１１１に、更に錘が接続されていてもよい。
第２の方向１３２の運動は、任意の点への移動と停止、断続的な運動、連続的な運動、等の様々な形態をとることができる。
また、第２の方向１３２の運動を、第１の方向１３１の振動と同様に、共振周波数における振動とすることも可能である。
この場合には、第２のアクチュエータ部１１２、支持部１１１、第２のレンズ１２２及び第３のアクチュエータ部１１３の各々の寸法、形状及び質量等によって、最適な共振周波数を設計することができる。
最適な共振周波数を得るために、第２のアクチュエータ部１１２、支持部１１１、第２のレンズ１２２又は第３のアクチュエータ部１１３に、錘が接続されていてもよい。

図５（ａ）は、第３のアクチュエータ部１１３の非駆動時における光偏向素子１００を示す断面図であり、図５（ｂ）は、第３のアクチュエータ部１１３によって第２のレンズ１２２がｚ軸の負方向に移動した際の光偏向素子１００を示す断面図であり、図５（ｃ）は、第３のアクチュエータ部１１３によって第２のレンズ１２２がｚ軸の正方向に移動した際の光偏向素子１００を示す断面図である。
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）には、ベース部１０１と、支持部１０２と、光ファイバー部１２０と、第１のレンズ部１２１と、第２のレンズ部１２２と、光線束２０２と、が示されている。
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、第３のアクチュエータ部１１３によれば、第１のレンズ１２１と第２のレンズ１２２との距離を調整することができ、焦点距離を調整することができる。

以上説明したように、光線束２０２は、第１の方向１３１には高速で走査され、第２の方向１３２には第１の方向１３１よりも低速で走査され、ラスタースキャンを実現することができる。

図６は、本実施形態に係る光偏向素子１００が行う２次元のイメージを描画する際のラスタースキャンを説明する図である。
上述のように、本実施形態に係る光偏向素子１００は、第１の方向１３１においては高速で光を走査し、第２の方向１３２においては第１の方向１３１よりも低速で光を走査することが可能である。
そのため、図６に示すように、第１の方向１３１における１次元的な走査により第１の方向１３１に走査線を描画し、第２の方向に移動して第１の方向１３１における１次元的な走査により第１の方向１３１に走査線を描画する。
このような動作を繰り返すことで、図６に示すように、２次元のイメージを描画することができる。
更には、第３のアクチュエータ部１１３を用いた焦点距離の調整により、３次元のイメージを描画することができる。

なお、本実施形態に係る光偏向素子１００が備える第１のレンズ１２１の形状は、特定の形状に限定されるものではなく、様々な形状が適用され得る。
図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１のレンズ１２１の形状を例示する図である。
図７（ａ）に示す第１のレンズ１２１ａは、先端が尖った円錐状のレンズである。
図７（ｂ）に示す第１のレンズ１２１ｂは、先端が略球形状のレンズである。
図７（ｃ）に示す第１のレンズ１２１ｃは、先端が丸みを帯びた円錐状のレンズである。
本実施形態に係る光偏向素子１００には、第１のレンズ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃのいずれも適用可能である。
また、本実施形態に係る光偏向素子１００が備える第１のレンズ１２１の材質についても特定のものに限定されるものではない。
第１のレンズ１２１は、屈折率分布型レンズによって構成されていてもよいし、組レンズであってもよい。
また、本実施形態に係る光偏向素子１００が備える第２のレンズ１２２の形状も第１のレンズ１２１と同様に、特定のものに限定されるものではなく、様々な形状が適用され得る。
また、本実施形態に係る光偏向素子１００が備える第２のレンズ１２２の材質についても第１のレンズ１２１と同様に、特定のものに限定されるものではない。
第２のレンズ１２２は、屈折率分布型レンズによって構成されていてもよいし、組レンズであってもよい。

第１のレンズ１２１及び第２のレンズ１２２は、光偏向素子１００の用途に応じて選定され、光偏向素子１００の用途によっては第１のレンズ１２１が設けられていなくてもよい。
第１の光学素子の共振周波数を高めて走査の速度を上げるためには、第１のレンズ１２１としては、より軽量のレンズを適用することが望ましい。

以上説明した本実施形態に係る光偏向素子１００によれば、ファイバースキャニング方式によって高解像度なラスタースキャンを実現することができる。
光偏向素子１００を適用可能な表示装置としては、ヘッドマウントディスプレイを例示することができる。

図８は、本実施形態に係る光偏向素子１００を適用したヘッドマウンドディスプレイ３００の装着状態を示す図である。
図８には、ユーザー４００に装着された状態のヘッドマウンドディスプレイ３００の断面が示されている。
図８に示すヘッドマウンドディスプレイ３００は、光偏向素子１００と、テンプル部３０１と、制御ＩＣ３０２と、レーザダイオード３０３と、外部レンズ３０４と、導光部３０５と、を備え、テンプル部３０１が耳４０１に掛けられることでユーザー４００に装着されている。
制御ＩＣ３０２、レーザダイオード３０３及び外部レンズ３０４は、テンプル部３０１内に搭載されている。
制御ＩＣ３０２は、図２に示す制御系１４０に相当し、レーザダイオード３０３は、図１，２に示す光源２００に相当する。
外部レンズ３０４は、光偏向素子１００の外部に設けられ、光偏向素子１００から出射された光を導光部３０５への入射前に整形する投影レンズである。
外部レンズ３０４により、画角等の投影形状を変更することができる。
外部レンズ３０４で整形された光は導光部３０５に入射し、導光部３０５内でユーザー４００の右目４０２の前まで導光される。
導光部３０５は、右目４０２の前に配置される部分がハーフミラーとなっており、ユーザー４００は、ヘッドマウントディスプレイ３００が表示するイメージを視認するとともに、前方を視認することが可能である。

本実施形態によれば、従来よりも解像度の高いヘッドマウントディスプレイを実現することができる。

なお、本実施形態においては、光偏向素子１００の適用例として表示装置のみを説明したが、光偏向素子１００は、撮像装置にも適用することができる。
光源２００に代えてフォトダイオード等の光電変換素子を配置することにより撮像し、撮像装置を実現することが可能である。
被写体は、被写体からの光が、第２の光学素子、第１の光学素子、光電変換素子の順に進行するように配置される。
即ち、撮像装置における光の進行方向は、表示装置における光の進行方向と逆である。
なお、撮像装置では、外部レンズは対物レンズである。

従来、ヘッドマウントディスプレイに適用される表示方式のうち、マイクロディスプレイ方式は小型化及び軽量化が困難であり、ＭＥＭＳミラー方式は反射型であるため更なる小型化が困難である。
他方で、従来のファイバースキャニング方式ではラスタースキャンが困難であり、輝度が不均一となり、且つ走査形状を方形にするためには複雑な駆動制御を要する、といった問題があった。
また、従来技術として、水平方向に駆動されるレンズ及び垂直方向に駆動されるレンズのいずれもアクチュエータにより駆動される光走査装置が知られている。
しかしながら、この光走査装置では、レンズの質量に起因して高周波駆動が困難であったため、高解像度なラスタースキャンを実現することは困難であった。

以上説明したように、本実施形態によれば、高解像度なラスタースキャンが可能な小型の光偏向素子を実現することができる。

本実施形態においては、走査線が走査する領域の端部を非表示領域とし、端部を除いた領域を表示領域とすることが好ましい。
走査線が走査する領域の端部を非表示領域とし、端部を除いた領域を表示領域とすると、表示領域における表示画像の歪みを低減することができる。

また、本実施形態は、光ファイバーに設けられた第１のレンズと、第２のレンズと、
により実現することができるため、小型化及び軽量化が可能である。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、上述の構成に対して、構成要素の付加、削除又は転換を行った様々な変形例も含むものとする。

１００ 光偏向素子
１０１ ベース部
１０２ 支持部
１１１ 第１のアクチュエータ部
１１２ 第２のアクチュエータ部
１１３ 第３のアクチュエータ部
１２０ 光ファイバー部
１２１，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ 第１のレンズ部
１２２ 第２のレンズ部
１３１ 第１の方向
１３２ 第２の方向
１４０ 制御系
１４１ インターフェイス部
１４２ 記憶部
１４３ ファイバースキャニング制御部
１４４ スポット位置算出部
１４５ 光源制御部
１４６ 光源駆動部
１４７ ＤＡ変換部
１４８ アクチュエータ駆動部
２００ 光源
２０１ イメージ
２０２ 光線束
３００ ヘッドマウントディスプレイ
３０１ テンプル部
３０２ 制御ＩＣ
３０３ レーザダイオード
３０４ 外部レンズ
３０５ 導光部
４００ ユーザー
４０１ 耳
４０２ 右目
４０３ 鼻

Claims (7)

1. 第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子の光出射側端部を第１の方向に振動させるように前記第１の光学素子の光入射側端部に設けられた第１のアクチュエータ部と、
   前記第1の光学素子の光出射側に配置された第２の光学素子と、
   前記第２の光学素子を、前記第1の方向とは異なる方向である第２の方向に前記第１の光学素子よりも低速で運動させる第２のアクチュエータ部と、
   前記第２の光学素子を前記第１の方向及び前記第２の方向とは異なる第３の方向に振動させる第３のアクチュエータ部と、
   を備え、
   前記第１の光学素子は、導光路である光ファイバーを含み、
   前記第３のアクチュエータ部は、前記第２の光学素子を前記光ファイバーの軸線方向に移動させる駆動部として機能し、
   前記第１の方向、前記第２の方向および前記第３の方向は、互いに略垂直である光偏向素子。
2. 前記第２の光学素子がレンズである請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記第１の光学素子の前記第２の光学素子側の端に集光部を備える請求項１又は２に記載の光偏向素子。
4. 前記第１の光学素子が共振振動数で振動する請求項１から３のいずれか一項に記載の光偏向素子。
5. 前記第１の光学素子に連結されたベース部と、
   前記第２の光学素子を支持する支持部と、をさらに備え、
   前記第３のアクチュエータ部は、前記ベース部に接続され、
   前記支持部は、前記第３のアクチュエータ部に接続され、
   前記第２のアクチュエータ部が、前記支持部に接続される、請求項１に記載の光偏向素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光偏向素子を備える表示装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光偏向素子を備える撮像装置。

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