JP2005055793A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光束を互いに交差する主走査方向と副走査方向とに２次元的に走査することにより、画像表示面上に画像を表示する画像表示装置において、副走査方向における光束の回帰期間において画像にノイズが発生する可能性を低減する。
【解決手段】表示すべき画像をレーザビームの走査によって画像表示面上に表示する装置を、レーザビームを出射させる光源ユニット２０と、その光源ユニットから出射したレーザビームを互いに交差する主走査方向と副走査方向とに２次元的に走査する走査装置２４とを含むものとする。さらに、その走査装置を、レーザビームが入射するポリゴンミラー１０４の一方向回転により、その入射したレーザビームを主走査する水平走査系１００と、レーザビームが入射するポリゴンミラー１３０の一方向回転により、その入射したレーザビームを副走査する垂直走査系１０２とを有するものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光束を互いに交差する主走査方向と副走査方向とに２次元的に走査することにより、画像表示面上に画像を表示する画像表示装置に関するものであり、特に、光束を副走査方向に走査する技術の改良に関するものである。

表示すべき画像を光束の走査によって画像表示面上に表示する画像表示装置が既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の従来の画像表示装置は、（ａ）レーザビーム等、光束を出射させる光源手段と、（ｂ）その光源手段から出射した光束を互いに交差する主走査方向と副走査方向とに２次元的に走査する走査手段とを含むように構成される。

この従来の画像表示装置においては、その走査手段が、（ａ）光束が入射する回転式ミラーの一例であるポリゴンミラーの一方向回転により、画像の１フレーム上の各ラインごとに、それに沿った主走査方向に光束を走査する主走査部と、（ｂ）光束が入射するガルバノミラーの揺動により、同じ画像の各フレームごとに、それの最初のラインから最後のラインに向かう副走査方向に光束を走査する副走査部とを有している。
特開２００２−２９６５２９号公報

ポリゴンミラーは一般に、それの回転軸線と同軸な一円周に沿って複数の反射面が並び、互いに隣接した２つの反射面がシャープな陵角において不連続的に交わるように構成される。

このように構成されたポリゴンミラーを用いて光束を走査する場合には、ポリゴンミラーが一方向に回転させられる間、それに入射した光束が各反射面を通過することによって各回の偏向すなわち走査が行われる。すなわち、各回の偏向においては、ポリゴンミラーの回転に伴って、それから出射した光束の偏向角度が偏向開始角度から偏向終了角度まで変化させられるのである。

そして、ポリゴンミラーがさらに回転した結果、次の反射面に光束が入射すると、その瞬間に、ポリゴンミラーから出射した光束の偏向角度が偏向開始角度に復元し、次回の偏向が開始される。

ポリゴンミラーを使用する場合には、前回の偏向終了時から今回の偏向開始時までの回帰期間において、ポリゴンミラーに入射した光束が、前回の反射面と今回の反射面との交わりを通過することになるが、その交わりは上述のようにシャープな稜角として形成される。稜角は、実際には製造上の過程により、０．５ｍｍ幅程度の散乱面となるがわずかな幅である。

したがって、その回帰期間においては、ポリゴンミラーに入射した光束がそれのシャープな稜角において拡散的に反射し、その結果、その反射した光束は、最終的に画像表示面上に到達するにしてもその光量が微少であるため、観察者によって観察され難い。

これに対し、光束を走査するためにガルバノミラーを使用する場合には、ガルバノミラーの一方向回転によって１回の偏向が行われ、これが終了すると、ガルバノミラーの逆方向回転によって次回の偏向開始位置に復帰する。このように、ガルバノミラーを使用する場合には、それの逆方向回転により、前回の偏向終了時から今回の偏向開始時までの回帰が行われる。

この回帰期間においては、ガルバノミラーは、それに入射した光束を同じ反射面を用いて反射する。そのため、ガルバノミラーを使用する場合には、回帰期間においては、光束の入射光量が完全に０に減少しない限り、ガルバノミラーから出射した光束が非拡散的に画像表示面上に照射されてしまい、ガルバノミラーがポリゴンミラーほどには高速で回転することができないこととも相俟って、その出射した光束が画像表示面上において観察者によって観察され易い。

そのため、前述の従来の画像表示装置においては、副走査がガルバノミラーを用いて行われるため、画像の前回のフレームから今回のフレームに移行する回帰期間において、表示すべき画像とは無関係な画像（例えば、暗い画面に対して斜めのライン画像）が画像表示面上に表示されてしまい、画像にノイズが発生してしまう可能性があった。

このような事情を背景として、本発明は、光束を互いに交差する主走査方向と副走査方向とに２次元的に走査することにより、画像表示面上に画像を表示する画像表示装置において、副走査方向における光束の回帰期間において画像にノイズが発生する可能性を低減することを課題としてなされたものである。

本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきである。

さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈されるべきである。

（１） 表示すべき画像を光束の走査によって画像表示面上に表示する画像表示装置であって、
光束を出射する光源手段と、
その光源手段から出射した光束を互いに交差する主走査方向と副走査方向とに２次元的に走査する走査手段であって、
（ａ）入射した光束を主走査方向に走査する主走査部と、
（ｂ）光束が入射する回転式ミラーの一方向回転により、その入射した光束を副走査方向に走査する副走査部とを有するものと
を含む画像表示装置。

この画像表示装置においては、副走査部が回転式ミラーの一方向回転により、光束を走査する。

したがって、この画像表示装置によれば、前述の、回転式ミラーの一例であるポリゴンミラーの回帰期間における光反射特性から明らかなように、副走査のための光束の回帰期間において、表示すべき画像とは無関係な画像が画像表示面上に表示されずに済み、よって、画像ノイズの発生が回避される。

本項における「主走査部」と「副走査部」とのレイアウトについては、光束の光路上において主走査部が副走査部より上流側に配置される場合と、逆に、副走査部が主走査部より上流側に配置される場合とがある。前者の場合には、副走査部が、主走査部によって走査された光束を副走査方向に走査するものとされるのに対し、後者の場合には、主走査部が、副走査部によって走査された光束を主走査方向に走査するものとされる。

（２） 前記主走査部が、第１のポリゴンミラーの一方向回転により、その第１のポリゴンミラーに入射した光束を主走査方向に走査するものであり、
前記副走査部が、前記回転式ミラーとしての第２のポリゴンミラーの一方向回転により、それに入射した光束を副走査方向に走査するものであり、
それら第１および第２のポリゴンミラーが、いずれも、回転軸線と同軸な一円周に沿って並んだ複数の反射面を有するものであり、かつ、前記第２のポリゴンミラーにおける反射面の数が、前記第１のポリゴンミラーにおける反射面の数より少ない（１）項に記載の画像表示装置。

一般に、ポリゴンミラーによって光束を走査すべき速度が遅いほど、ポリゴンミラーにおける反射面の数を少なくすることが容易である。

また、ポリゴンミラーにおける反射面の数が少ないほど、ポリゴンミラーの直径を小さくすることが容易となるため、ポリゴンミラーの小形軽量化も容易となる。

一方、ポリゴンミラーによって光束を走査すべき速度に関し、主走査と副走査とを互いに比較すれば、１フレーム毎の走査である副走査の方が１ライン毎の走査である主走査より遅いのが通常である。

このような知見に基づき、本項に係る画像表示装置においては、副走査のためのポリゴンミラーにおける反射面の数が、主走査のためのポリゴンミラーにおける反射面の数より少ないものとされている。

（３） さらに、前記光束の前記主走査方向および前記副走査方向における位置に基づき、光束が前記画像を主走査方向に表示することを開始する主走査開始タイミングと、副走査方向に表示することを開始する副走査開始タイミングとを互いに同期させる同期制御を行う同期制御装置を含む（１）または（２）項に記載の画像表示装置。

副走査を一方向回転式ミラーを用いて行う場合には、揺動式ミラー（例えば、ガルバノミラー）を用いて行う場合より厳密に、主走査と副走査との同期を確保することが大切である。その同期が十分に確保されないと、画像を主走査方向に表示することを開始する主走査開始タイミングに対して、副走査方向に表示することを開始する副走査開始タイミングが遅れたり早められたりする。

その結果、主走査と副走査との同期が十分に確保されないと、画像表示面上における画像の表示位置が副走査方向に揺れてしまう可能性がある。すなわち、画像の前回のフレームの位置に対して今回のフレームの位置が副走査方向にずれてしまう可能性があるのである。

一方、主走査開始タイミングは、光束の主走査方向における位置に基づいて決定できるし、副走査開始タイミングは、光束の副走査方向における位置に基づいて決定できる。

このような知見に基づき、本項に係る画像表示装置においては、光束の主走査方向および副走査方向における位置に基づき、光束が画像を主走査方向に表示することを開始する主走査開始タイミングと、副走査方向に表示することを開始する副走査開始タイミングとを互いに同期させる同期制御が行われる。

（４） 前記同期制御装置が、前記主走査方向に走査された光束を検出する第１のビームディテクタを含み、かつ、その第１のビームディテクタによる検出結果と前記回転式ミラーを駆動するための駆動信号とに基づいて前記同期制御を行う（３）項に記載の画像表示装置。

回転式ミラーを回転させるべき速度に関し、主走査と副走査とを互いに比較すれば、一般に、１フレーム毎の走査である副走査の方が１ライン毎の走査である主走査より遅くて済む。このことは、走査された光束の位置を検出することが要求される精度に関し、副走査の方が主走査より低くて済む。

一方、回転式ミラーによって走査された光束の位置をそれほど高い精度で検出することが要求されない場合には、その光束の位置を、回転式ミラーを回転させるための駆動信号（例えば、回転式ミラーを回転させるためにモータまたはそれのドライバに供給される駆動信号）に基づいて推定することが可能である。すなわち、光束の位置を検出するためにビームディテクタという部品を追加することが不可欠ではない場合もあるのである。

このような知見に基づき、本項に係る画像表示装置においては、第１のビームディテクタにより、光束の主走査方向における位置が検出され、その第１のビームディテクタによる検出結果と、副走査のための回転式ミラーを駆動するための駆動信号とに基づき、主走査開始タイミングと副走査開始タイミングとの同期制御が行われる。

（５） 前記同期制御装置が、
前記主走査方向に走査された光束を検出する第１のビームディテクタと、
前記副走査方向に走査された光束を検出する第２のビームディテクタと
を含み、かつ、それら第１および第２のビームディテクタの検出結果に基づいて前記同期制御を行う（３）項に記載の画像表示装置。

この画像表示装置においては、主走査方向に走査される光束のみならず副走査方向に走査される光束もビームディテクタによって検出されるため、主走査方向に走査される光束はビームディテクタによって検出されるが副走査方向に走査される光束はビームディテクタによって検出されない場合より、副走査方向に走査される光束の検出精度を向上させて同期の精度を向上させることが容易となる。

（６） 前記光束の光路上において前記主走査部が前記副走査部より上流側に配置されており、前記第１のビームディテクタが、前記回転式ミラーから出射した光束を前記主走査方向において検出する（４）または（５）項に記載の画像表示装置。

副走査のために回転式ミラーを使用する場合には、回転式ミラーに面倒れが発生する可能性を考慮することが大切である。ここに、面倒れという現象は、回転式ミラーの反射面が、それの回転軸線に対して傾斜する現象であるため、副走査のための回転式ミラーに面倒れが発生すると、その回転式ミラーから出射する光束の位置が、副走査方向と交差する方向すなわち主走査方向にずれることになる。このずれは、当該画像表示装置においては、画像表示面上において画像の位置が主走査方向にずれる原因となる。

ところで、主走査部が副走査部より上流側に配置されている画像表示装置において、主走査部によって走査された光束を検出する第１のビームディテクタを、副走査のための回転式ミラーから出射した光束を検出する形式とすれば、光束の主走査方向における位置を、副走査のための回転式ミラーの面倒れの影響を受けた状態で検出することが可能となる。

このような知見に基づき、本項に係る画像表示装置においては、光束の光路上において主走査部が副走査部より上流側に配置されており、第１のビームディテクタが、回転式ミラーから出射した光束を主走査方向において検出するものとされている。

（７） さらに、
副走査方向に延び、前記回転式ミラーから出射した光束を、主走査方向において予め定められた位置において通過させるスリットを有するスリット部材と、
そのスリット部材のスリットを通過した光束を集光させて前記第１のビームディテクタに入射させる集光部と
を含む（６）項に記載の画像表示装置。

この装置によれば、第１のビームディテクタが狭い領域でしか光束を受光できない場合であっても、回転式ミラーから出射した光束が、副走査方向に延びる姿勢で位置決めされた帯状領域内のいずれかの位置に照射されたことを検出することが可能となる。その結果、画像の１フレームにおける複数本のラインのすべてにつき、主走査開始タイミングを第１のビームディテクタを用いて決定することが可能となる。

本項における「集光部」の一例は、反射と集光とを行うものであり、この例の一形式は、反射を行う平面鏡と集光を行うレンズとの組合せであり、別の形式は、反射と集光との双方を行う凹面鏡である。

（８） 前記画像表示面が眼の網膜の結像面である網膜走査型ディスプレイである（１）ないし（７）項のいずれかに記載の画像表示装置。

（９） 前記画像表示面がスクリーンである投影型ディスプレイである（１）ないし（７）項のいずれかに記載の画像表示装置。

（１０） 前記光束の光路上において前記主走査部が前記副走査部より上流側に配置されており、前記第２のビームディテクタが、前記回転式ミラーから出射した光束を前記副走査方向において検出する（６）項に記載の画像表示装置。

（１１） さらに、前記光源手段と前記走査手段との間に配置され、その光源手段から出射した光束の波面を、前記画像表示面上に表示すべき画像に応じて変調する波面変調光学系を含む（１）ないし（１０）項のいずれかに記載の画像表示装置。

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の第１実施形態に従う網膜走査型ディスプレイ装置が系統的に表されている。この網膜走査型ディスプレイ装置（以下、「ＲＳＤ」と略称する。）は、レーザビームを、それの波面および強度を適宜変調しつつ、観察者の眼１０の瞳孔１２を経て網膜１４の結像面上に入射させ、その結像面上においてレーザビームを２次元的に走査することにより、その網膜１４上に画像を直接に投影する装置である。

すなわち、本実施形態においては、ＲＳＤが前記（１）項に係る「画像表示装置」の一例であり、レーザビームが同項における「光束」の一例であり、網膜１４の結像面が同項における「画像表示面」の一例なのである。

このＲＳＤは、光源ユニット２０を備え、その光源ユニット２０と観察者の眼１０との間において波面変調光学系２２と走査装置２４とをそれらの順に並んで備えている。

光源ユニット２０は、３原色（ＲＧＢ）を有する３つのレーザ光を１つのレーザ光に集束して任意色のレーザ光を生成するために、赤色のレーザ光を発するＲレーザ３０と、緑色のレーザ光を発するＧレーザ３２と、青色のレーザ光を発するＢレーザ３４とを備えている。各レーザ３０，３２，３４は、例えば、半導体レーザとして構成することが可能である。

各レーザ３０，３２，３４から出射したレーザ光は、それらを合成するために、各コリメート光学系４０，４２，４４によって平行光化された後に、波長依存性を有する各ダイクロイックミラー５０，５２，５４に入射させられ、それにより、各レーザ光が波長に関して選択的に反射・透過させられる。

具体的には、Ｒレーザ３０から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４０によって平行光化された後に、ダイクロイックミラー５０に入射させられる。Ｇレーザ３２から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２を経てダイクロイックミラー５２に入射させられる。Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４４を経てダイクロイックミラー５４に入射させられる。

それら３つのダイクロイックミラー５０，５２，５４にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、それら３つのダイクロイックミラー５０，５２，５４を代表する１つのダイクロイックミラー５４に最終的に入射して集束され、その後、結合光学系８０によって集光される。

以上、光源ユニット２０のうち光学的な部分を説明したが、以下、電気的な部分を説明する。

光源ユニット２０は、コンピュータを主体とする信号処理回路６０を備えている。信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、各レーザ３０，３２，３４を駆動するための信号処理と、後述の、レーザビームの波面を変調させるための信号処理と、後述の、レーザビームの走査を行うための信号処理とを行うように設計されている。

各レーザ３０，３２，３４を駆動するため、信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、網膜１４上に投影すべき画像上の各画素ごとに、レーザ光にとって必要な色と強度とを実現するために必要な駆動信号を、各レーザドライバ７０，７２，７４を介して各レーザ３０，３２，３４に供給する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、光源ユニット２０が前記（１）項における「光源手段」の一例を構成しているのである。

以上説明した光源ユニット２０は、結合光学系８０においてレーザビームを出射させる。そこから出射したレーザビームは、光伝送媒体としての光ファイバ８２と、その光ファイバ８２の後端から放射させられるレーザビームを平行光化するコリメート光学系８４とをそれらの順に経て波面変調光学系２２に入射する。

この波面変調光学系２２は、光源ユニット２０から出射したレーザビームの波面（波面曲率）を、網膜１４上に投影すべき画像上の各画素に応じて変調させる光学系である。

具体的には、この波面変調光学系２２は、集光レンズとそれの光軸上において変位可能な可動ミラーとの組合せを主体として構成されている。さらに具体的には、波面変調光学系２２は、コリメート光学系８４から出射したレーザビームが入射するハーフミラー９０と、そこで反射して出射したレーザビームを集光する集光レンズ９２とを備え、さらに、その集光レンズ９２から出射したレーザビームを平面ミラーで反射する可動ミラー９４と、その可動ミラー９４の位置を光軸上において変化させるアクチュエータ９６とを備えている。アクチュエータ９６の一例は、圧電素子を利用する形式である。この波面変調光学系２２においては、可動ミラー９４において反射したレーザビームが集光レンズ９２およびハーフミラー９０を透過して前述の走査装置２４に入射する。

なお付言するに、この波面変調光学系２２においてレーザビームの波面を変調させる方式として別のものを採用することが可能である。例えば、アクチュエータによって焦点距離が変化させられる可変焦点ミラーを用い、入射したレーザビームを反射する反射面の曲率を変化させてそのレーザビームの波面を変調するという方式を採用することが可能である。

ところで、前述の信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、レーザビームの波面を変調させるためにアクチュエータ９６に供給することが必要な波面変調信号を生成し、それをアクチュエータ９６に供給するように設計されている。これが前述の、レーザビームの波面を変調させるための信号処理である。アクチュエータ９６は、それに供給された波面変調信号に基づき、波面変調光学系２２を出射するレーザビームの波面を変調させる。

以上のように構成された波面変調光学系２２を出射したレーザビームは、前述の走査装置２４に入射する。この走査装置２４は、水平走査系１００と垂直走査系１０２とを備えている。

水平走査系１００は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを水平な複数の走査線に沿って水平にラスタ走査する水平走査（これが主走査の一例である。）を行う光学系である。これに対し、垂直走査系１０２は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを最初の走査線から最後の走査線に向かって垂直に走査する垂直走査（これが副走査の一例である。）を行う光学系である。

すなわち、本実施形態においては、水平走査系１００が前記（１）項における「主走査部」の一例を構成し、垂直走査系１０２が同項における「副走査部」の一例を構成しているのである。

具体的に説明するに、水平走査系１００は、本実施形態においては、機械的偏向を行う一方向回転ミラーとしてのポリゴンミラー１０４と、そのポリゴンミラー１０４を回転させるモータ１０６と、そのモータ１０６の回転を制御する水平走査系ドライバ１０８とを備えている。

ポリゴンミラー１０４は、それの回転軸線のまわりに並んだ複数の反射面１０９を備えており、入射レーザビームを１つの反射面１０９が通過するごとに１回偏向が行われる。その偏向されたレーザビームは、リレー光学系１１０によって垂直走査系１０２に伝送される。本実施形態においては、リレー光学系１１０が光路上において複数個の光学素子１１２，１１４を並んで備えている。

ポリゴンミラー１０４は、モータ１０６により、そのポリゴンミラー１０４に入射したレーザビームの光軸と交差する回転軸線まわりに高速で回転させられる。このポリゴンミラー１０４の回転速度を制御するために、信号処理回路６０から供給される水平走査駆動信号に基づいて水平走査系ドライバ１０８がモータ１０６を駆動する。

すなわち、本実施形態においては、ポリゴンミラー１０４が前記（２）項における「第１のポリゴンミラー」の一例を構成しているのである。

このＲＳＤは、ビームディテクタ１２０を定位置に備えている。ビームディテクタ１２０は、ポリゴンミラー１０４によって偏向されたレーザビーム（すなわち、主走査方向において走査されたレーザビーム）を検出することにより、それの主走査方向における位置を検出するために設けられている。ビームディテクタ１２０の一例は、ホトダイオードである。

すなわち、本実施形態においては、ビームディテクタ１２０が前記（４）または（５）項における「第１のビームディテクタ」の一例を構成しているのである。

本実施形態においては、図２に示すように、レーザビームによって２次元的に走査される全領域であるレーザ走査領域（画像表示面上の全領域）が、画像表示領域（観察者の眼１０の瞳孔１２に入射する領域）より広く設定されており、結局、その画像表示領域の外側に、画像が表示されない非画像表示領域が存在している。

主走査に関して説明するに、ポリゴンミラー１０４から出射するレーザビームの全偏向角のうちそのレーザビームが画像表示領域に入射する領域は、全偏向角のうちの中央領域であり、非画像表示領域に入射する領域は、その中央領域より外側の領域である。

本実施形態においては、ビームディテクタ１２０が、レーザビームを上記中央領域の外側において検出するように設計されている。具体的には、本実施形態においては、図２に示すように、ポリゴンミラー１０４から出射したレーザビームの位置が、ポリゴンミラー１０４のうちの１つの反射面１０９によってレーザビームの偏向が開始された位置から、そのレーザビームが画像表示領域に入射することが開始される位置（画像表示開始位置）までの間に設定された検出領域内に位置するときに、ビームディテクタ１２０にレーザビームが入射するように設計されている。

レーザビームの光量は、それの偏向角に応じて信号処理回路６０によって制御される。具体的には、図２に示すように、ビームディテクタ１２０による検出が行われる検出領域とそれに先行する領域とを含むレーザ発光領域においては通常光量とされ、その検出領域から画像表示開始位置までの非画像表示領域においては最少光量に減少させられ、画像表示開始位置に後続する画像表示領域においては通常光量（ただし、画素ごとに映像信号（画像データ)に対応した光量となる。）に復元される。

以上、主走査に関し、レーザ走査領域と画像表示領域との関係とレーザビームの光量制御とを説明したが、このことは後述の副走査についても同様である。

ビームディテクタ１２０は、レーザビームの入射光量に応じた信号をＢＤ信号として出力し、その出力されたＢＤ信号は信号処理回路６０に供給される。このビームディテクタ１２０から出力されたＢＤ信号に応答し、信号処理回路６０は、ビームディテクタ１２０がレーザビームを検出した時期から設定時間が経過したタイミングを主走査開始タイミングとして決定する。

以上、水平走査系１００を説明したが、垂直走査系１０２は、機械的偏向を行う一方向回転ミラーとしてのポリゴンミラー１３０と、それを回転させるモータ１３２と、それの回転を制御する垂直走査系ドライバ１３４とを備えている。

すなわち、本実施形態においては、ポリゴンミラー１３０が前記（１）項における「回転式ミラー」の一例を構成し、前記（２）項における「第２のポリゴンミラー」の一例を構成しているのである。

ポリゴンミラー１３０には、水平走査系１００から出射したレーザビームがリレー光学系１１０によって集光されて入射するようになっている。ポリゴンミラー１３０は、回転軸線と同軸な一円周に沿って並んだ複数の反射面１３８を備えている。反射面１３８の数は、水平走査のためのポリゴンミラー１０４より少なく設定され、それに伴い、ポリゴンミラー１３０の直径もポリゴンミラー１０４より小さく設定されている。

このポリゴンミラー１３０は、モータ１３２により、そのポリゴンミラー１３０に入射したレーザビームの光軸と交差する回転軸線まわりに回転させられる。

このポリゴンミラー１３０の回転速度を制御するために、信号処理回路６０から供給される垂直走査駆動信号に基づいて垂直走査系ドライバ１３４がモータ１３２を駆動する。

本実施形態においては、信号処理回路６０により、ポリゴンミラー１３０によって偏向されたレーザビームの副走査方向（垂直方向）における位置が、モータ１３２を駆動するために垂直走査系ドライバ１３４に供給される垂直走査駆動信号（これは、モータ１３２に供給される駆動信号に相当する。）に基づいて推定される。ポリゴンミラー１３０にあっては、回転速度がポリゴンミラー１０４より遅いため、ポリゴンミラー１３０の回転位置を垂直走査駆動信号に基づいて精度よく推定することが容易である。

信号処理回路６０は、垂直走査駆動信号に基づき、ポリゴンミラー１３０によって偏向されたレーザビームの副走査方向における位置が、図２に二点鎖線で示す基準位置に到達したか否かを判定する。到達したと判定すると、信号処理回路６０は、その到達時期から設定時間が経過したタイミングを副走査開始タイミングとして決定する。

さらに、信号処理回路６０は、主走査開始タイミングと副走査開始タイミングとが実質的に一緒に到来したときに、必要なレーザ駆動信号を各レーザドライバ７０，７２，７４に供給する。これにより、各走査線ごとに、主走査開始タイミングで画像表示が開始され、各フレームごとに、副走査開始タイミングで画像表示が開始される。その結果、主走査開始タイミングと副走査開始タイミングとの同期が、レーザ走査領域内に画像を表示すべき位置との関係において最適化される。

以上、主走査開始タイミングと副走査開始タイミングとの同期制御を概念的に説明したが、以下、具体的に説明する。

図３には、その同期制御を実施するために信号処理回路６０のコンピュータによって実行される同期制御プログラムの内容が概念的にフローチャートで表されている。

この同期制御プログラムはコンピュータによって繰返し実行される。各回の実行時には、まず、ステップＳ１（以下、単に「Ｓ１」で表す。他のステップについても同じとする。）において、信号処理回路６０が垂直走査系ドライバ１３４に供給する垂直走査駆動信号と同じものが入力される。

次に、Ｓ２において、その入力された垂直走査駆動信号に基づき、ポリゴンミラー１３０によって偏向されたレーザビームが、図２に示す基準位置に達するのが待たれる。達したならば、判定がＹＥＳとなり、その後、所定時間後、Ｓ３において、副走査開始タイミングが到来する。

すると、Ｓ４において、ビームディテクタ１２０から入力されるＢＤ信号に基づき、ポリゴンミラー１０４によって偏向されたレーザビームがビームディテクタ１２０によって検出されるのが待たれる。検出されたならば、判定がＹＥＳとなり、その後、所定時間後、Ｓ５において、主走査開始タイミングが到来する。

続いて、Ｓ６において、表示すべき画像のうち今回のフレームについて画像表示を開始すべき時期が到来したとして、レーザ駆動信号が各レーザドライバ７０，７２，７４に供給されることが開始され、画像のうち今回のフレームについて画像の表示が開始される。

以上で、この同期制御プログラムの一回の実行が終了する。

したがって、本実施形態によれば、副走査のためにポリゴンミラー１３０を使用するにもかからわず、副走査開始タイミングと主走査開始タイミングとの関係が、設定位置に精度よく画像を表示する目的との関係において適正なものとなり、これにより、主走査開始タイミングと副走査開始タイミングとの同期が適正に実現されることとなる。

以上説明した水平走査系１００と垂直走査系１０２との共働により、レーザビームが２次元的に走査され、その走査されたレーザビームによって表現される画像が、リレー光学系１４０を経て観察者の眼１０に照射される。本実施形態においては、リレー光学系１４０が光路上において複数個の光学素子１４２，１４４を並んで備えている。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、信号処理回路６０のうち図３の同期制御プログラムを実行する部分が前記（３）または（４）項における「同期制御装置」の一例を構成しているのである。

このＲＳＤにおいては、眼１０のレンズも光学系として機能するため、眼１０の光学的特性も考慮することが重要である。

すなわち、眼１０においては、瞳孔１２上でのビーム径が大きいほど、網膜１４上でのレーザビームの集光領域の面積（ビームウェストの幅）が狭くなる。網膜１４上でのビームウェストの幅が狭いほど、網膜１４による解像度が向上する。

一方、このＲＳＤを、ポリゴンミラー１３０およびそれより上流側の光学系に関連する条件として、（ａ）ポリゴンミラー１３０上でのビーム径が瞳孔１２上でのビーム径より小さいという条件と、（ｂ）ポリゴンミラー１３０による偏向角が、瞳孔１２に入射するレーザビームの画角より大きいという条件とが成立するように設計し、かつ、ポリゴンミラー１３０より下流側の光学系に関連する条件として、（ｃ）瞳孔１２上でのビーム径がポリゴンミラー１３０上でのビーム径より大きいという条件と、（ｄ）瞳孔１２に入射するレーザビームの画角がポリゴンミラー１３０による偏向角より小さいという条件とが成立するように設計することは、理論的にも実用的にも可能である。

したがって、副走査のためにポリゴンミラー１３０を用いるて、その反射面１３８の数をできる限り少なくしてそれの偏向角をできる限り大きくすれば、ポリゴンミラー１３０の小形軽量化のみならず、網膜１４による解像度を確保することも可能となる。

このような知見に基づき、本実施形態においては、副走査のためのポリゴンミラー１３０における反射面１３８の数が、主走査のためのポリゴンミラー１０４における反射面１０９の数より少ないものとされている。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、第１実施形態と共通する要素が多く、異なる要素は、走査されたレーザビームの検出に関連する要素に関するもののみであるため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については同一の符号または名称を使用して引用することにより、詳細な説明を省略する。

第１実施形態においては、副走査のためのポリゴンミラー１３０によって偏向されたレーザビームの位置、すなわち、ポリゴンミラー１３０の回転位置が垂直走査駆動信号に基づいて推定されるようになっている。

これに対し、本実施形態においては、図４に示すように、副走査のためのポリゴンミラー１３０によって偏向されたレーザビームが、主走査のためのポリゴンミラー１０４と同様に、ビームディテクタ２００を用いて検出される。

図４に示すように、ビームディテクタ２００は、反射面２０２を利用することにより、ポリゴンミラー１３０によって偏向されるレーザビームのうち、画像表示領域２１０（図５参照）の外側に位置する非画像表示領域２１２に入射するものを検出するように配置されている。

具体的には、ビームディテクタ２００および反射面２０２は、ポリゴンミラー１３０によって偏向されるレーザビームのうち、非画像表示領域２１２における副走査開始側に位置する部分に入射するものを検出するように配置されている。

したがって、本実施形態によれば、ポリゴンミラー１３０によって偏向されたレーザビームの副走査方向における位置を、第１実施形態において垂直走査駆動信号を用いて推定する場合より、正確に検出することが容易となる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、第２実施形態と共通する要素が多く、異なる要素は、走査されたレーザビームの検出に関連する要素に関するもののみであるため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については同一の符号または名称を使用して引用することにより、詳細な説明を省略する。

第２実施形態においては、主走査のためのポリゴンミラー１０４によって偏向されたレーザビームを検出するために、ビームディテクタ１２０が、ポリゴンミラー１３０より上流側においてレーザビームを受光するように配置されている。

これに対し、本実施形態においては、図６に示すように、ポリゴンミラー１０４によって偏向されたレーザビームの位置を、ポリゴンミラー１３０の面倒れの影響を受けた状態で検出するために、ビームディテクタ２３０が、ポリゴンミラー１３０より下流側においてレーザビームを受光するように配置されている。

第２実施形態においては、ポリゴンミラー１０４によってレーザビームが、主走査方向に平行に固定された一偏向面上において往復偏向させられる状況において、ビームディテクタ１２０が、そのように往復偏向させられるレーザビームの主走査方向における位置が基準位置であることを、ポリゴンミラー１０４の各反射面１０９ごとに検出する。その基準位置は、走査線の位置変化とは無関係に一定である。

したがって、第２実施形態においては、ビームディテクタ１２０がレーザビームを検出しなければならない領域は、レーザビームを同じ位置において受光できる領域で足りる。

これに対し、本実施形態においては、ポリゴンミラー１０４から出射したレーザビームがポリゴンミラー１３０により、主走査方向と交差する方向に固定された一偏向面上において往復偏向させられる状況において、ビームディテクタ２３０が、そのように往復偏向させられるレーザビームの主走査方向における位置が基準位置であることを、ポリゴンミラー１０４の各反射面１０９ごとに検出する。その基準位置は、走査線の位置変化に伴って変化し、具体的には、主走査の進行につれて副走査方向において開始側から終了側に向かって移動する。

したがって、本実施形態においては、ビームディテクタ２３０がレーザビームを検出しなければならない領域は、副走査方向に延びる領域であることが必要である。

そのため、本実施形態においては、図６に示すように、ポリゴンミラー１３０から出射したレーザビームの主走査方向における位置が基準位置にあるときにそのレーザビームを選択的に受光してビームディテクタ２３０に投光する機構２３４が設けられる。

その機構２３４の一例は、レーザビームの主走査方向における位置が基準位置にあるときにそのレーザビームを選択的に通過させるスリットと、そのスリットを通過したレーザビームを反射するミラーと、そのミラーから出射するレーザビームを集光してビームディテクタ２３０に入射させる集光手段とを含むように構成される。

機構２３４のこの一例は、図１０に示すように、上記スリット２４０と、上記ミラーとしての凹面鏡２４２とを含み、かつ、その凹面鏡２４２からの反射光がビームディテクタ２３０に集光されて入射する構成とすることが可能である。

図７には、ビームディテクタ２００がレーザビームを検出する領域が第１検出領域として示される一方、ビームディテクタ２３０がレーザビームを検出する領域が第２検出領域として示されている。

図８には、レーザビームが発光されるタイミングがタイミングチャートで表されている。このタイミングチャートにおいては、ビームディテクタ２００から出力される第１ＢＤ信号と、ビームディテクタ２３０から出力される第２ＢＤ信号と、レーザ３０，３２，３４の出力とについて経時的な変化が示されている。

なお、このタイミングチャートの定義によれば、各ビームディテクタ２００，２３０の出力信号は、レーザビームを検出している検出状態または電源が投入されていない状態においてはローレベルＬにあり、電源が投入されており、かつ、レーザビームを検出していない非検出状態においてはハイレベルＨにある。レーザ３０，３２，３４の出力信号は、レーザビームを発光しない非発光状態においてはローレベルＬにあり、発光している発光状態においてはハイレベルＨにある。

まず、初期設定において、レーザ３０，３２，３４が非発光状態から発光状態に切り換わると、いずれのビームディテクタ２００，２３０も、出力信号がローレベルからハイレベルに切り換わる。この時点では、いずれのビームディテクタ２００，２３０も、レーザビームを受光していない。

レーザビームの走査が開始されると、信号処理回路６０のコンピュータにより、図９にフローチャートで概念的に表されている同期制御プログラムが実行される。以下、この同期制御プログラムの内容を図８のタイミングチャートを参照しつつ説明する。

この同期制御プログラムにおいては、まず、Ｓ３１において、レーザビームがビームディテクタ２００によって検出されためにそれの第１ＢＤ信号がハイレベルからローレベルに変化するのが待たれる。変化したならば、判定がＹＥＳとなり、Ｓ３２において、各レーザ３０，３２，３４からのレーザビームの発光が停止される。

続いて、Ｓ３３において、時間ｔ１が経過するのが待たれる。この時間ｔ１の長さは、レーザ走査領域を表す外側矩形と画像表示領域を表す内側矩形との間の領域のうち副走査開始側の部分矩形領域の副走査方向寸法に応じて予め設定される。

時間ｔ１が経過すると、Ｓ３３の判定がＹＥＳとなり、副走査開始タイミングが到来したと判定される。その後、Ｓ３４において、各レーザ３０，３２，３４からレーザビームが発光される。

続いて、Ｓ３５において、レーザビームがビームディテクタ２３０によって検出されためにそれの第２ＢＤ信号がハイレベルからローレベルに変化するのが待たれる。変化したならば、判定がＹＥＳとなり、Ｓ３６において、各レーザ３０，３２，３４からのレーザビームの発光が停止される。

続いて、Ｓ３７において、時間ｔ２が経過するのが待たれる。この時間ｔ２の長さは、レーザ走査領域を表す外側矩形と画像表示領域を表す内側矩形との間の領域のうち主走査開始側の部分矩形領域の主走査方向寸法に応じて予め設定される。

時間ｔ２が経過すると、Ｓ３７の判定がＹＥＳとなり、主走査開始タイミングが到来したと判定される。その後、Ｓ３８において、表示すべき画像の１フレーム中の１ライン分を表示するための画像信号が各レーザドライバ７０，７２，７４に供給される。これにより、各レーザ３０，３２，３４からのレーザビームの発光が画像表示のために開始される。

その後、１ライン分の画像信号の供給が終了したならば、Ｓ３９において、レーザビームの発光が停止される。続いて、Ｓ４０において、時間ｔ３が経過するのが待たれる。この時間ｔ３の長さは、レーザ走査領域を表す外側矩形と画像表示領域を表す内側矩形との間の領域のうち主走査終了側の部分矩形領域の主走査方向寸法に応じて予め設定される。

時間ｔ３が経過すると、Ｓ４０の判定がＹＥＳとなり、Ｓ４１において、１フレーム分の画像信号の供給が終了したか否かが判定される。今回は、未だ終了してはいないと仮定すれば、判定がＮＯとなり、Ｓ３４に戻るが、今回は、終了したと仮定すれば、Ｓ４１の判定がＹＥＳとなり、Ｓ４２において、時間ｔ４が経過するのが待たれる。この時間ｔ４の長さは、レーザ走査領域を表す外側矩形と画像表示領域を表す内側矩形との間の領域のうち副走査終了側の部分矩形領域の副走査方向寸法に応じて予め設定される。

時間ｔ４が経過すると、Ｓ４２の判定がＹＥＳとなり、Ｓ４３において、レーザビームの発光が、レーザビームの位置検出すなわちポリゴンミラー１０４，１３０の回転位置検出を目的として行われる。

以上で、この同期制御プログラムの一回の実行が終了する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、信号処理回路６０のうち図９の同期制御プログラムを実行する部分が前記（３）または（５）項における「同期制御装置」の一例を構成しているのである。

以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［課題を解決するための手段］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

本発明の第１実施形態に従う網膜走査型ディスプレイ装置を示す系統図である。 図１における水平走査系１００および垂直走査系１０２によるレーザビームの走査領域と発光領域と検出領域との関係を説明するための図である。 図１における信号処理回路６０のコンピュータにより実行される同期制御プログラムの内容を概念的に表すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に従う網膜走査型ディスプレイ装置を示す系統図である。 図４におけるビームディテクタ１２０とビームディテクタ２００との関係を説明するための光路図である。 本発明の第３実施形態に従う網膜走査型ディスプレイ装置を説明するための光路図である。 図６の網膜走査型ディスプレイ装置における水平走査系１００および垂直走査系１０２によるレーザビームの走査領域と第１および第２発光領域と第１および第２検出領域との関係を説明するための図である。 図６の網膜走査型ディスプレイ装置におけるレーザ３０，３２，３４の発光タイミングを示すタイミングチャートである。 図６の網膜走査型ディスプレイ装置における信号処理回路６０のコンピュータにより実行される同期制御プログラムの内容を概念的に表すフローチャートである。 図６における機構２３４の一例を概念的に表す側面断面図である。

符号の説明

２０ 光源ユニット
２４ 走査装置
６０ 信号処理回路
１００ 水平走査系
１０２ 垂直走査系
１０４ ポリゴンミラー
１０６ モータ
１０９ 反射面
１２０ ビームディテクタ
１３０ ポリゴンミラー
１３２ モータ
１３８ 反射面
２００ ビームディテクタ
２１０ 画像表示領域
２１２ 非画像表示領域
２３０ ビームディテクタ
２４０ スリット
２４２ 凹面鏡

Claims (7)

1. 表示すべき画像を光束の走査によって画像表示面上に表示する画像表示装置であって、
   光束を出射する光源手段と、
   その光源手段から出射した光束を互いに交差する主走査方向と副走査方向とに２次元的に走査する走査手段であって、
   （ａ）入射した光束を主走査方向に走査する主走査部と、
   （ｂ）光束が入射する回転式ミラーの一方向回転により、その入射した光束を副走査方向に走査する副走査部とを有するものと
   を含む画像表示装置。
2. 前記主走査部が、第１のポリゴンミラーの一方向回転により、その第1のポリゴンミラーに入射した光束を主走査方向に走査するものであり、
   前記副走査部が、前記回転式ミラーとしての第２のポリゴンミラーの一方向回転により、それに入射した光束を副走査方向に走査するものであり、
   それら第１および第２のポリゴンミラーが、いずれも、回転軸線と同軸な一円周に沿って並んだ複数の反射面を有するものであり、かつ、前記第２のポリゴンミラーにおける反射面の数が、前記第１のポリゴンミラーにおける反射面の数より少ない請求項１に記載の画像表示装置。
3. さらに、前記光束の前記主走査方向および前記副走査方向における位置に基づき、光束が前記画像を主走査方向に表示することを開始する主走査開始タイミングと、副走査方向に表示することを開始する副走査開始タイミングとを互いに同期させる同期制御を行う同期制御装置を含む請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 前記同期制御装置が、前記主走査方向に走査された光束を検出する第１のビームディテクタを含み、かつ、その第１のビームディテクタによる検出結果と前記回転式ミラーを駆動するための駆動信号とに基づいて前記同期制御を行う請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記同期制御装置が、
   前記主走査方向に走査された光束を検出する第１のビームディテクタと、
   前記副走査方向に走査された光束を検出する第２のビームディテクタと
   を含み、かつ、それら第１および第２のビームディテクタの検出結果に基づいて前記同期制御を行う請求項３に記載の画像表示装置。
6. 前記光束の光路上において前記主走査部が前記副走査部より上流側に配置されており、前記第１のビームディテクタが、前記回転式ミラーから出射した光束を前記主走査方向において検出する請求項４または５に記載の画像表示装置。
7. さらに、
   副走査方向に延び、前記回転式ミラーから出射した光束を、主走査方向において予め定められた位置において通過させるスリットを有するスリット部材と、
   そのスリット部材のスリットを通過した光束を集光させて前記第１のビームディテクタに入射させる集光部と
   を含む請求項６に記載の画像表示装置。
   

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