JP2005107070A - 光スキャナおよびそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射した光を反射する反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナにおいて、その反射面からの反射光の強度を適正化する。
【解決手段】入射光の反射面に対応する横断面積、すなわち、入射光が反射面に入射する面積をその入射方向に投影した面積が反射面角度に応じて変化する光スキャナにおいて、反射面角度の変化によって反射面からの反射光の強度が変化しないように、反射面角度に基づいて入射光の強度を変化させる。
【選択図】図９

Description

本発明は、入射した光を反射する反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナに関するものであり、特に、その反射面からの反射光の強度を制御する技術に関するものである。

光を走査する光スキャナとして、入射した光を反射する反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナが既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この種の光スキャナは、例えば、画像形成の分野や画像読取りの分野において使用される。画像形成の分野においては、網膜上において光束を走査して画像を直接に表示する網膜走査型ディスプレイ装置、プロジェクタ、レーザプリンタ、レーザリソグラフィ等の用途に使用され、一方、画像読取りの分野においては、ファクシミリ、複写機、イメージスキャナ、バーコードリーダ等の用途に使用される。

この種の光スキャナの一例は、反射面を揺動させることにより、光を走査する形式であり、別の例は、反射面を一方向に回転させることにより、光を走査する形式である。

反射面を揺動させる形式の一例は、特許文献１に記載されているように、光を反射するミラーと、そのミラーを捩じり振動させるための振動体とを含む形式の光スキャナである。この例は、振動を利用して反射面を揺動させる形式であるが、振動を利用せずに反射面を揺動させる形式も存在し、その一具体例は、ガルバノミラーを利用する光スキャナである。

これに対し、反射面を一方向に回転させる形式の一例は、反射面が複数枚、互いに隣接して一列に並んだポリゴンミラーを利用する光スキャナである。そのポリゴンミラーを利用する光スキャナは、複数枚の反射面を順次利用して走査を繰り返す点で、同じ反射面を繰返し利用して走査を繰り返す上述の、反射面を揺動させる形式の光スキャナと相違する。

特開平１１−２０３３８３号公報

以上説明した光スキャナでは、入射光に対する反射面の角度により、必要とされる反射光の強度が得られない場合がある。

例えば、光スキャナにおいては、走査開始タイミングを安定化させるために、その光スキャナからの反射光が特定の角度位置に偏向されたことを検出する光検出器が用いられる。

この光検出器が入射光を確実に検出するためにはその入射光の強度を確保することが必要であるのが通常であるが、入射光の強度に対する要求が、光検出器と、光スキャナの本来の用途との間で互いに一致しない場合がある。すなわち、光検出器にとっては、入射光の強度が大きいほど望ましいのに対し、光スキャナの本来の用途にとっては、入射光の強度に上限を設定するすることが望ましい場合があるのである。

一方、光検出器は、通常、光スキャナが本来の用途を実現するための反射面の角度範囲から外れた角度にその反射面が向けられているときに、その反射面からの反射光が入射するように位置決めされる。

したがって、反射面の角度は、その反射面からの反射佼が光検出器に入射する場合と、本来の用途を実現する場合とで互いに異なる。よって、入射光の強度を反射面の角度に応じ、その反射光が光検出器に入射するための角度においては大きくなり、本来の用途を実現するための角度においては小さくなるように変化させれば、光検出器からの要求と本来の用途実現のための要求とを一緒に満足させることが可能となる。

以上説明した知見に基づき、本発明は、入射した光を反射する反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナにおいて、その反射面からの反射光の強度を適正化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） 入射した光を反射する反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナであって、
前記入射方向に対する前記反射面の角度である反射面角度に基づいて前記入射光の強度を制御するコントローラを含む光スキャナ。

この光スキャナによれば、反射面への入射光の強度が反射面角度との関係において適正化されるため、その反射面からの反射光すなわち走査光の強度が適正化される。

この光スキャナは、例えば、前述の揺動式として構成したゎ、前述の一方向回転式として構成することが可能である。また、この光スキャナにおいては、反射面への入射光を、進行方向に沿って横断面積が一定である平行光として構成したり、横断面積が変化する収束光または拡散光として構成することが可能である。

（２） 前記入射光は、前記反射面に対応するその横断面積が前記反射面角度に応じて変化し、前記コントローラは、前記反射面角度の変化によって前記反射面からの反射光の強度が変化しないように、前記反射面角度に基づいて前記入射光の強度を変化させる（１）項に記載の光スキャナ。

前記（１）項に係る光スキャナにおいては、高解像度を達成するために、高速走査し、走査振幅を大きく、なおかつ、光スキャナの反射面からの反射光すなわち光スキャナによる走査光の横断面積ができる限り大きいことが要望される場合がある。ここに、「横断面積」は、反射光が例えば、円形断面を有する光束（光ビーム）である場合には、そのビーム径に対応する円の面積を意味し、ビーム径が大きいほど横断面積も大きいという関係が成立する。

反射光の横断面積を拡大するためには、その光スキャナにおける反射面への入射光の横断面積を拡大することが必要である。そして、その入射光の横断面積は、反射面の面積が広いほど、拡大することが容易である。

しかし、反射面の面積を拡大するのに限界が存在するのが通常である。この状況においては、走査のために反射面に向かって照射される照射光がもれなく反射面に入射するように照射光の横断面を設定する場合と、照射光の一部が反射面に入射しないことが許容されるように照射光の横断面を設定する場合（すなわち、照射光が、入射光である必要光と入射光ではない不要光との双方を含む場合）とが考えられる。それら２つの場合を互いに比較すれば、後に詳述するように、前者の場合には、限られた広さの反射面の全体をできる限り有効に光の走査のために利用することが後者の場合より困難である。

反射面に向かう照射光が、その反射面に入射する必要光と、その反射面に入射しない不要光とを含むようにすれば、不要光の存在を許容して照射光の横断面を設定することが可能となるため、限られた広さの反射面の全体をできる限り有効に光の走査のために利用することが容易となる。

しかし、不要光の存在を許容して照射光の横断面を設定する場合には、反射面への入射光すなわち上記必要光の横断面積（すなわち、入射光が反射面に入射する面積をその入射方向に投影した面積）が、入射光の入射方向に対する反射面の角度（以下、「反射面角度」ともいう。）によって変化する。

そのため、特別の対策を講じないと、反射面からの反射光の強度が、反射面角度によって変化してしまい、光スキャナによる走査光の強度が安定しない。

これに対し、本項に係る光スキャナによれば、入射光の反射面に対応する横断面積、すなわち、入射光が反射面に入射する面積をその入射方向に投影した投影入射面積が反射面角度に応じて変化する状況であるにもかかわらず、反射面角度の変化によって反射面からの反射光の強度が変化しないようにされる。

したがって、この光スキャナによれば、反射光すなわち走査光の強度を安定化させることが容易となる。

本項における「横断面積」は、入射光をそれの光軸に直角な平面に当てた場合にその平面上に描かれる図形の面積を意味する。その入射光が、例えば、円形断面を有する光束である場合には、横断面積は、その光束のビーム径によって表わされる円の面積を意味し、ビーム径が大きいほど横断面積も大きいという関係が成立する。

本項における「入射光」は、その進行方向に沿って横断面積が一定である平行光として構成したり、横断面積が変化する収束光または拡散光として構成することが可能である。

本項における「入射光」が平行光として構成される場合には、特別な条件を与えることなく、その横断面積が幾何学的に特定されるのに対し、収束光または拡散光として構成される場合には、横断面積を幾何学的に特定するために何らかの条件を与えることが必要であるが、本項においては、入射光の横断面積が、反射面に対応する横断面積として定義されている。その結果、入射光の横断面積は、入射光が反射面に入射する面積（すなわち、反射面上の面積）をその入射方向に投影した投影入射面積を意味することとなり、それにより、入射光が収束光または拡散光として構成される場合でも、入射光の横断面積が幾何学的に特定されることとなる。

（３） 当該光スキャナは、光を出射し、その出射する光の強度を変調信号に基づいて変調する光源と共に使用され、前記コントローラは、その光源に供給される前記変調信号を前記反射面角度に基づいて制御する（１）または（２）項に記載の光スキャナ。

この光スキャナによれば、出射光の強度を変調可能である光源が利用され、その光源からの出射光の強度が変調されることにより、反射面からの反射光の強度が適正化される。

本項において「当該光スキャナが光源と共に使用される」とは、光源が当該光スキャナから独立した装置として構成される場合には、当該光スキャナが、その光源と一緒に使用されるという意味である。ただし、当該光スキャナが光源をその一構成要素として含むように当該光スキャナを構成することを排除することを意味しない。すなわち、ここでは、当該光スキャナが光源をその一構成要素として含むか否かを問わず、当該光スキャナによる走査のために光源が使用されることを意味するに過ぎないのである。このような解釈は下記の各項においても同様である。

（４） 当該光スキャナは、光を出射する光源、およびその光源から光が入射し、その入射した光の強度を変調信号に基づいて変調する変調器と共に使用され、前記コントローラは、その変調器に供給される前記変調信号を前記反射面角度に基づいて制御する（１）または（２）項に記載の光スキャナ。

この光スキャナによれば、光源から出射した光の強度を変調可能な変調器が利用され、その光源から出射した光であって反射面に入射しようとする光の強度が変調されることにより、その反射面からの反射光の強度が適正化される。

したがって、この光スキャナによれば、光源を利用せずに、反射面への入射光の強度を制御することが可能となる。

ところで、光源を利用して入射光の強度変調を行う場合には、通常、３原色について個別に設けられる光源のうちの少なくとも一つが利用されて入射光の強度変調が行われる。そのため、この場合には、画像を構成する色間のバランスが入射光の強度変調の前後で変化しないように留意することが重要である。

これに対し、本項に係る光スキャナは、それら３原色の光束が結合された１つの光束の強度を変調するように変調器が配置される態様で実施することが可能である。この態様を採用すれば、画像を構成する色間のバランスを入射光の強度変調の前後で変化しないようにすることが容易である。

さらに、この光スキャナは、変調器からの出射光が何ら光学素子を通過しないで直接に当該光スキャナの反射面に入射するように変調器が配置される態様で実施することも可能である。この態様を採用すれば、変調器によって強度が正確に変調された光が、反射面に入射する手前において、別の光学素子によって悪影響を受けずに済む。したがって、この態様を採用すれば、反射面への入射光の強度を正確に変調することが容易となる。

（５） 光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、
前記光束を出射する光源と、
（１）ないし（４）項のいずれかに記載の光スキャナを有し、前記光源から出射した光束を走査する走査部と
を含む画像形成装置。

（６） 前記光源は、前記画像に対応する画像信号に基づき、その光源から出射する光束の強度を変調し、前記コントローラは、その光源に供給される前記画像信号を前記反射面角度に基づいて補正する信号補正部を含む（５）項に記載の画像形成装置。

この画像形成装置によれば、画像形成という本来の用途を実現するために光源に供給される画像信号が反射面角度に基づいて補正されることにより、反射面からの反射光の強度が適正化される。

この画像形成装置は、光源の強度変調機能が画像形成と反射光の強度適正化との双方に利用される態様で実施することが可能である。この態様を採用すれば、反射光の強度適正化のために、強度変調を行う専用のハードウエアを追加することが不可欠ではなくなり、反射光の強度適正化に起因する当該画像形成装置の部品点数の増加を抑制することが容易となる。

（７） さらに、変調信号に基づき、前記光源から出射した光束の強度を変調する変調器を含み、前記コントローラは、前記反射面角度に基づいて前記変調信号を生成して前記変調器に出力する信号出力部を含む（５）または（６）項に記載の画像形成装置。

この画像形成装置によれば、光源から出射した光束の強度を変調する変調器が反射面角度に基づいて制御されることにより、反射面からの反射光の強度が適正化される。

したがって、この画像形成装置によれば、反射光の強度適正化のための強度変調を、画像形成のための強度変調から独立して行うことが可能となる。

（８） 前記光源は、前記反射面に入射する必要光とその反射面に入射しない不要光とを一緒に発生させる横断面を前記光束が有する状態でその光束を前記反射面に向かって出射する（５）ないし（７）項のいずれかに記載の画像形成装置。

前述のように、反射面の面積を拡大するのに限界が存在する状況においては、走査のために反射面に照射される照射光がもれなく反射面に入射するように照射光の横断面を設定する場合には、照射光の一部が反射面に入射しないことが許容されるように照射光の横断面を設定する場合に比較して、限られた広さの反射面の全体をできる限り有効に光の走査のために利用することが困難である。

この事実は、例えば、照射光の横断面が円形断面であるのに対して、反射面の形状が四辺形であるというように、照射光の横断面の形状と反射面の形状とが互いに大きく異なる状況において特に顕著である。

さらに、照射光がもれなく反射面に入射するように設計される光スキャナにあっては、製造ばらつきや経時変化にもかかわらずそのような入射条件が常に維持されるようにするために、照射光の横断面が反射面より小さく設定されるのが通常である。

このことを考慮すれば、例えば、照射光の横断面の形状も反射面の形状も共に円形であるというように、照射光の横断面の形状と反射面の形状とが互いに近似する状況でさえ、照射光がもれなく反射面に入射するように照射光の横断面を設定する場合には、照射光の一部が反射面に入射しないことが許容されるように照射光の横断面を設定する場合より、限られた広さの反射面の全体をできる限り有効に光の走査のために利用することが困難である。

以上説明した知見に基づき、本項に係る画像形成装置においては、光源が、反射面に入射する必要光とその反射面に入射しない不要光とを一緒に発生させる横断面を光束が有する状態でその光束を反射面に向かって出射するものとされている。

したがって、この画像形成装置によれば、不要光の存在を許容して、光源から反射面への出射光の横断面を設定することが可能となるため、限られた広さの反射面の全体をできる限り有効に光の走査のために利用することが容易となる。

本項における「横断面」は、入射光をそれの光軸に直角な平面に当てた場合にその平面上に描かれる図形を意味する。その入射光が、例えば、円形断面を有する光束である場合には、横断面は、その光束のビーム径によって表わされる円を意味する。

さらに、本項における「横断面」については、光束が反射面に向かって照射されることによって必要光と不要光とが一緒に発生させられるものであれば足り、必要光が反射面の全体に入射するように、光源からの出射光（すなわち、光源から反射面に向かう照射光）の横断面を決定することは不可欠ではない。反射面の一部に必要光が入射しない領域が存在するように、光源からの出射光の横断面を決定してもよいのである。

（９） 前記走査部は、
前記光源から出射した光束を主走査方向に高速で走査する主走査手段と、
前記光源から出射した光束を前記主走査方向と交差する副走査方向に低速で走査する副走査手段と
を含み、
前記主走査手段は、（１）ないし（４）項のいずれかに記載の光スキャナを含み、
前記コントローラは、その主走査手段における前記光スキャナの前記反射面の前記反射面角度に基づいてその反射面に入射する光束の強度を制御する（８）項に記載の画像形成装置。

前述のように、高解像度を達成するためには、反射面からの反射光の横断面積を拡大することが必要であり、前記（８）項に係る画像形成装置によれば、前記（１）ないし（４）項のいずれかに記載の光スキャナを用いることにより、反射面の面積の割に大きな横断面積を反射光に与えることが容易となる。このことは、反射光の横断面積の割に反射面の面積が小さくて済み、ひいては、その反射面が形成される反射ミラー部が軽くて済むことになることを意味する。一方、反射ミラー部が重いほど、反射面の走査周波数が低下する傾向がある。

本項に係る画像形成装置においては、光源から出射した光束を走査する走査部が、光束を主走査方向に高速で走査する主走査手段と、その主走査方向と交差する副走査方向に低速で走査する副走査手段とを含むように構成されている。それら主走査手段と副走査手段とを、それぞれが達成すべき走査周波数に関して互いに比較すれば、主走査手段の方が高く、このことは、主走査手段の方が、目標の走査周波数を達成する困難性も高いことを意味する。

これに対し、前記（１）ないし（４）項のいずれかに係る光スキャナを使用すれば、上述のように、走査周波数の低下を回避しつつ、高解像度を達成することが容易となる。

そこで、本項に係る画像形成装置においては、前記（１）ないし（４）項のいずれかに係る光スキャナが、副走査手段より高速にすなわち高周波数で光束を走査する主走査手段に使用される。

したがって、この画像形成装置によれば、解像度の向上と走査周波数の増加との両立が副走査手段より困難である主走査手段においてその両立を図ることが容易となる。

（１０） さらに、前記走査部によって走査された光束を網膜に向かって誘導する光学系を含む（５）ないし（９）項のいずれかに記載の画像形成装置。

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次元的に走詐することにより、その網膜１４上に画像を直接に投影する装置である。

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との間において走査装置２４を備えている。

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つのレーザ光に結合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、それらを結合するために、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結合され、その後、結合光学系５６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、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。レーザビームの走査を行うための信号処理については後述する。

以上説明した光源ユニット２０は、結合光学系５６においてレーザビームを出射する。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走査装置２４に入射する。

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。水平走査系１００は、垂直走査系１０２より高速にすなわち高周波数でレーザビームを走査するように設計されている。

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、機械的偏向を行うミラーを備えた弾性体の振動によってそのミラーを揺動させる光スキャナ１０４を備えている。光スキャナ１０４は、信号処理回路６０から供給される水平同期信号に基づいて制御される。

図２には、光スキャナ１０４が組立て状態で、斜視図で示されている。これに対し、図３には、光スキャナ１０４が分解斜視図で示されている。図２および図３に示すように、光スキャナ１０４は、本体部１１０がベース１１２に装着されて構成されている。

本体部１１０は、シリコン等、弾性を有する材料を用いて薄膜形成法によって形成されている。本体部１１０は、図３の上部に示すように、概略的には、光が通過し得る貫通穴１１４を有して薄板長方形状を成している。本体部１１０は、外側には固定枠１１６を備え、一方、内側には、反射面１２０が形成された反射ミラー部１２２を有する振動体１２４を備えている。

このような本体部１１０の構成に対応して、ベース１１２は、図３の下部に示すように、本体部１１０との装着状態において固定枠１１６が装着されるべき支持部１３０と、振動体１２４と対向する凹部１３２とを有するように構成されている。凹部１３２は、本体部１１０をベース１１２に装着した状態において、振動体１２４が振動によって変位してもベース１１２と干渉しない形状を有するために形成されている。

図３に示すように、反射ミラー部１２２の反射面１２０は、それの対称中心線でもある回転中心線１３４を中心として揺動させられる。振動体１２４は、さらに、その反射ミラー部１２２からそれと同一面上に延びて、その反射ミラー部１２２を固定枠１１６に接合するはり部１４０を備えている。本実施形態においては、反射ミラー部１２２の両側から一対のはり部１４０がそれぞれ互いに逆向きに延び出している。

各はり部１４０は、１個のミラー側板ばね部１４２と、一対の枠側板ばね部１４４と、それらミラー側板ばね部１４２と一対の枠側板ばね部１４４とを互いに接続する接続部１４６とを含むように構成されている。ミラー側板ばね部１４２は、反射ミラー部１２２のうち、回転中心線１３４の方向において互いに対向する一対の縁のそれぞれから、対応する接続部１４６まで、回転中心線１３４上において、回転中心線１３４に沿って延びている。一対の枠側板ばね部１４４は、対応する接続部１４６から、回転中心線１３４に対して互いに逆向きにオフセットする姿勢で、回転中心線１３４に沿って延びている。

各はり部１４０においては、図３に示すように、一対の枠側板ばね部１４４のそれぞれに、固定枠１１６に及ぶ姿勢で、駆動源１５０，１５２，１５４，１５６が取り付けられている。各駆動源１５０，１５２，１５４，１５６は、図４に示すように、圧電体１６０（「圧電振動子」、「圧電素子」ともいう。）を主体として構成されている。圧電体１６０は、薄板状を成して振動体１２４の片面に貼り付けられており、その貼付け面と直角な方向において上部電極１６２と下部電極１６４とによって挟まれている。図３および図４に示すように、上部電極１６２と下部電極１６４とはそれぞれ、各リード線１６６により、固定枠１１６に設置された一対の入力端子１６８に接続されている。

それら上部電極１６２と下部電極１６４とに電圧が印加されれば、その印加方向と直交する向きの変位が圧電体１６０に発生する。この変位により、図５に示すように、はり部１４０に屈曲すなわち反りが発生する。この屈曲は、はり部１４０のうち固定枠１１６との接続部を固定端とする一方、反射ミラー部１２２との接続部を自由端として行われる。その結果、その屈曲の向きが上向きであるか下向きであるかにより、自由端が上向きまたは下向きに変位する。

図５から明らかなように、４個の枠側板ばね１４４にそれぞれ貼り付けられた４個の駆動源１５０，１５２，１５４，１５６のうち、回転中心線１３４に関して一側に位置して反射ミラー部１２２を挟む一対の駆動源１５０および１５２と、他側に位置して反射ミラー部１２２を挟む一対の駆動源１５４および１５６とはそれぞれ、各対に属する２個の圧電体１６０の自由端が互いに同じ向きに変位するように屈曲させられる。

それに対し、反射ミラー部１２２に関して一側に位置して回転中心線１３４を挟む一対の駆動源１５０および１５４と、他側に位置して回転中心線１３４を挟む一対の駆動源１５２および１５６とはそれぞれ、各対に属する２個の圧電体１６０の自由端が互いに逆向きに変位するように屈曲させられる。

その結果、反射ミラー部１２２には、図５に示すように、その反射ミラー部１２２を同じ向きに回転させる変位が、回転中心線１３４に関して一側に位置する一対の駆動源１５０および１５２の一方向の変位と、反対側に位置する一対の駆動源１５４および１５６の逆方向の変位との双方によって発生させられる。

以上要するに、各枠側板ばね部１４４は、それに貼り付けられた圧電体１６０の直線変位（横変位）を屈曲運動（縦変位）に変換する機能を有し、接続部１４６は、各枠側板ばね部１４４の屈曲運動をミラー側板ばね部１４２の回転運動に変換する機能を有しているのである。そのミラー側板ばね部１４２の回転運動によって反射ミラー部１２２が回転させられる。

したがって、本実施形態においては、４個の駆動源１５０，１５２，１５４，１５６を制御するために、回転中心線１３４に関して一側に位置する２個の駆動源１５０，１５２、すなわち、図３において右上の駆動源１５０と左上の駆動源１５２とが第１対を成し、反対側に位置する２個の駆動源１５４，１５６、すなわち、同図において右下の駆動源１５４と左下の駆動源１５６とが第２対を成している。

本実施形態においては、第１対を成す２個の駆動源１５０，１５２と、第２対を成す２個の駆動源１５４，１５６とを互いに逆向きに変位させて、反射ミラー部１２２にそれの回転中心線１３４まわりの往復回転運動すなわち揺動運動を発生させるために、第１対を成す２個の駆動源１５０，１５２に交番電圧が互いに同位相で印加されるのに対し、それとは逆位相の交番電圧が、第２対を成す２個の駆動源１５４，１５６に互いに同位相で印加される。その結果、第１対を成す２個の駆動源１５０，１５２がいずれも、図３において下向きに撓んだ場合には、第２対を成す２個の駆動源１５４，１５６はいずれも、同図において上向きに撓むこととなる。

上述の制御を実現するために、水平走査系１００は、図１に示す水平走査駆動回路１８０を備えている。この水平走査駆動回路１８０においては、図６に示すように、発振器１８２が、信号処理回路６０から入力された水平同期信号に基づき、交番電圧信号を生成する。発振器１８２は、位相シフタ１８４およびアンプ１８６を経た第１経路を経て、第１対を成す２個の駆動源１５０，１５２に接続される一方、位相反転回路１８８、位相シフタ１９０およびアンプ１９２を経た第２経路を経て、第２対を成す２個の駆動源１５４，１５６に接続されている。

位相反転回路１８８は、発振器１８２から入力された交番電圧信号を、それの位相を反転させて位相シフタ１９０に供給する。この位相反転回路１８８は、第２経路のみに設けられるため、第１対を成す２個の駆動源１５０，１５２と、第２対を成す２個の駆動源１５４，１５６とでは、対応するアンプ１８６，１９２から供給される交番電圧信号の位相が互いに逆となる。

いずれの経路においても、位相シフタ１８４，１９０は、前記映像信号と反射ミラー部１２２の振動とが互いに同期するように、駆動源１５０，１５２，１５４，１５６に供給されるべき交番電圧信号の位相を変化させるために設けられている。

以上説明した光スキャナ１０４によって水平走査されたレーザビームは、図１に示すように、リレー光学系１９４によって垂直走査系１０２に伝送される。

このＲＳＤは、ビームディテクタ２００を定位置に備えている。ビームディテクタ２００は、光スキャナ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、そのレーザビーム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２００の一例は、ホトダイオードである。

ビームディテクタ２００は、レーザビームが所定の位置に到達したことを示す信号を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２００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２００がレーザビームを検出した時期から設定時間が経過するのを待って、必要な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、画像表示開始タイミングが決定され、その決定された画像表示開始タイミングで画像表示が開始される。

以上、水平走査系１００を説明したが、垂直走査系１０２は、図１に示すように、機械的偏向を行う揺動ミラーとしてのガルバノミラー２１０を備えている。ガルバノミラー２１０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１９４によって集光されて入射するようになっている。このガルバノミラー２１０は、それ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揺動させられる。このガルバノミラー２１０の起動タイミングおよび回転速度は、信号処理回路６０から供給される垂直同期信号に基づいて制御される。

以上説明した水平走査系１００と垂直走査系１０２との共同により、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やって表現される画像が、リレー光学系２１４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２１４が、光路上において複数個の光学素子２１６，２１８を並んで備えている。

図１６に示すように、従来の光スキャナ３００においては、反射面３０２に向かって照射される概して円形断面を有するレーザビームがもれなく反射面３０２に入射するという前提のもと、製造ばらつきや経時変化にもかかわらずそのような入射条件が常に維持されるようにするために、反射面３０２へのレーザビームの入射領域３０４とその反射面３０２の外縁との間に、光が入射しない非入射領域３０６が存在するように、その反射面３０２に照射されるレーザビームのビーム径の寸法が設定されていた。

これに対し、本実施形態の光スキャナ１０４においては、図７に示すように、反射面１２０に向かって照射される概して円形断面を有するレーザビームの一部が反射面１２０に入射しないことが許容されるようにレーザビームのビーム径の寸法が設定されている。具体的には、本実施形態においては、レーザビームが反射面１２０の全体に入射するようにビーム径が設定されており、その結果、ビーム径が反射面１２０の最大寸法より大きくなっている。

このようにビーム径が設定された結果、本実施形態においては、図７に示すように、反射面１２０に向かうレーザビームの横断面２３４が反射面１２０より大きくなる。よって、反射面１２０に向かうレーザビームである全照射光が、反射面１２０に入射する入射光である必要光と、反射面１２０に入射しない不要光とを含むこととなる。

そのため、本実施形態においては、図８に示すように、入射光の反射面１２０に対応する横断面積、すなわち、入射光が反射面１２０に入射する面積をその入射方向に投影した投影入射面積が、その入射方向に対する反射面１２０の角度（以下、単に「反射面角度θ」という。）が最大角度と最小角度との間において変化するのに伴って変化する。

ここに、「反射面角度θ」という用語は、入射光の入射方向と反射面１２０の法線方向との双方に直角な方向（図８において紙面に直角な方向）に入射光と反射面１２０とを見た場合に、入射光の光軸と、反射面１２０を表わす直線との交点に形成される２個の角度のうち小さい方として定義されている。

図８の（ａ）には、反射面１２０の反射が、反射面角度θが最大角度である場合に行われる様子が光路図で示されている。ここには、入射光の反射面１２０に対応する横断面積が最大となり、それに伴い、反射面１２０からの反射光の横断面積も最大となる様子も示されている。

これに対し、図８の（ｂ）には、反射面１２０の反射が、反射面角度θが最小角度である場合に行われる様子が光路図で示されている。ここには、反射面角度θが最大角度である場合の反射面１２０の位置が比較のために破線で示されている。さらに、ここには、入射光の反射面１２０に対応する横断面積が最小となり、それに伴い、反射面１２０からの反射光の横断面積も最小となる様子も示されている。

このように、本実施形態においては、入射光の反射面１２０に対応する横断面積および反射光の横断面積が反射面角度θに依存するため、何ら対策を講じないと、反射光の強度も反射面角度θに依存してしまう。具体的には、図９に破線のグラフで示すように、反射面角度θが最大角度である場合には、反射光の強度が最大であるのに対し、反射面角度θが最小角度である場合には、反射光の強度が最小であるというように、反射光の強度が反射面角度θに依存してしまうのである。

このような依存性を排除するために、本実施形態においては、入射光の強度が反射面角度θに基づいて制御される。この制御においては、図９に示すように、反射面角度θが中立角度であるときにおける反射光の強度が目標強度に等しいと仮定して、反射面角度θが中立角度より大きい領域においては、入射光の強度を減少させる減光補正が行われる。これに対し、反射面角度θが中立角度より小さい領域においては、入射光の強度を増加させる増光補正が行われる。その結果、同図に実線のグラフで示すように、反射光の強度が、反射面角度θの変化にもかかわらず、目標値と実質的に一致するように維持される。

図１０には、本実施形態に従うＲＳＤにおける電気的および光学的な全体処理が時系列的にブロック図で概念的に表されている。

このＲＳＤにおいては、外部から供給された映像信号であって画像中の各画素ごとに色と強度とを規定するものに基づき、レーザ駆動信号が生成されてレーザドライバ７０，７２，７４に対して出力される。そのレーザ駆動信号に応答してレーザ３０，３２，３４がレーザ光を発生させ、その発生させられたレーザ光はレーザビームとして走査装置２４に入射し、そこで走査される。その走査されたレーザビームは、網膜１４上に投影されて観察者に対して画像が表示される。

本実施形態においては、反射面角度θの変化にもかかわらず反射光の強度を安定化させるために、外部から供給された映像信号が、反射面角度θに応じて入射光の強度が変調されるように補正される。反射面角度θは、ビームディテクタ２００が光スキャナ１０４からの走査光を検出するタイミングを参照して検出される。

このように映像信号を補正するために、図１に示すように、信号処理回路６０が映像信号補正部２４０を備えている。この映像信号補正部２４０は、信号処理回路６０のコンピュータのうち映像信号補正プログラムを実行する部分によって構成されている。

図１１には、その映像信号補正プログラムの内容がフローチャートで概念的に表わされている。この映像信号補正プログラムは繰返し実行される。

各回の実行時には、まず、ステップＳ１（以下、単に「Ｓ１」で表わす。他のステップについても同じとする。）において、外部からの映像信号が元映像信号として入力される。次に、Ｓ２において、ビームディテクタ２００から、光スキャナ１０４からの走査光を検出したか否かを表すＢＤ信号が入力される。

続いて、Ｓ３において、その入力されたＢＤ信号に基づき、反射面角度θが検出される。その後、Ｓ４において、元映像信号により表わされるレーザ光の強度（入射光の強度）の補正量である強度補正量と反射面角度θとの間に予め定められた補正量−角度間関係であって蝕号処理回路６０のコンピュータのメモリに予め記憶されているものに什い、上記検出された反射面角度θに対応する強度補正量が今回の強度墓正量として決定される。その補正量−角度間関係は、図９にグラフで表わされている反射面角度θと反射光の強度偏差（目標強度と補正前強度との差）との関係を考慮して設定されている。

続いて、Ｓ５において、その決定された今回の強度補正量に基づき、前記入力された映像信号が補正される。すなわち、補正映像信号が生成されるのである。その後、Ｓ６において、その生成された補正映像信号がレーザドライバ７０，７２，７４に対して出力される。

以上で、この映像信号補正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、光スキャナ１０４が前記（１）項に係る「光スキャナ」の一例を構成し、信号処理回路６０が前記（１）ないし（３）項のいずれかにおける「コントローラ」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、ＲＳＤが前記（５）項に係る「画像形成装置」の一例を構成し、光源ユニット２０が前記（６）項における「光源」の一例を構成し、信号処理回路６０が同項における「コントローラ」の一例を構成し、映像信号補正部２４０が同項における「信号補正部」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、光源ユニット２０が前記（８）項における「光源」の一例を構成し、光スキャナ１０４が同項における「主走査手段」の一例を構成し、ガルバノミラー２１０が同項における「副走査手段」の一例を構成し、信号処理回路６０が同項における「コントローラ」の一例を構成しているのである。

次に、本発明の第２実施形態に従う光スキャナを備えた網膜走査型ディスプレイ装置を説明する。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、異なるのは反射面１２０への入射光の強度を制御するための要素のみであるため、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、反射面１２０への入射光の強度を反射面角度θに基づいて制御するために、レーザ３０，３２，３４の強倒変調機能であってそもそも画像表示に必要である機能が利用される。

これに対し、本実施形態においては、図１２に示すように、光源ユニット２０と光スキャナ１０４との間に、反射面１２０への入射光の強度変調のためのＡＯ変調器２６０が設けられている。ＡＯ変調器２６０には、各レーザ３０，３２，３４から出射した各レーザ光が結合されて形成された１本のレーザビームが入射する。

ＡＯ変調器２６０と反射面１２０との間には、何らの光学素子（例えば、レンズ、ミラー等）も配置されていない。本実施形態においては、ＡＯ変調器２６０が利用されることにより、反射面１２０への入射光の強度が反射面角度θに基づいて制御される。

この制御のため、図１２に示すように、信号処理回路６０が、変調信号出力部２６２を含むように構成され、その変調信号出力部２６２から出力された変調信号がＡＯ変調器２６０に供給されることにより、光源ユニット２０から出射した光であって、これからまさに光スキャナ１０４に入射しようとする入射光の強度が変調される。

図１３には、本実施形態に従うＲＳＤの全体処理が、図１０と同様なブロック図で表わされている。本実施形態においては、垂直走査系１０２より高速の走査を行う水平走査系１００における光スキャナ１０４への入射光の強度変調が変調信号に基づいて行われ、その変調信号は反射面角度θに基づいて決定される。その反射面角度θは、第１実施形態と同様に、ビームディテクタ２００からのＢＤ信号を参照して検出される。

レーザ３０，３２，３４とＡＯ変調器２６０とは、レーザビームの強度を変調可能である点で互いに共通するが、レーザ３０，３２，３４はレーザビームの強度の増加も減少も実行可能である点で、強度の減少しか実行できないＡＯ変調器２６０とは異なる。

本実施形態においては、そのように減光しかできないＡＯ変調器２６０を用いて入射光の強度が制御されるため、変調信号出力部２６２は、図１４にグラフで表わすように、反射面角度θが最小角度であるとき、すなわち、反射光の強度が最小であるときにおける反射光の強度が目標強度に一致するようにレーザ３０，３２，３４の出力が設定されたうえっ、反射面角度θが最小角度より大きい場合には、その反射面角度θに応じて入射光の強度が減少するように減光補正が行われる。

変調信号出力部２６２は、信号処理回路６０のコンピュータのうち強度変調プログラムを実行する部分によって構成されている。

図１５には、その強度変調プログラムの内容がフローチャートで概念的に表わされている。この強度変調プログラムも繰返し実行される。

各回の実行時には、まず、Ｓ１０１において、ビームディテクタ２００から、光スキャナ１０４からの走査光を検出したか否かを表すＢＤ信号が入力される。次に、Ｓ１０２において、その入力されたＢＤ信号に基づき、反射面角度θが検出される。

その後、Ｓ１０３において、光源ユニット２０から出射するレーザ光の強度（入射光の強度）の変調量である強度変調量と反射面角度θとの間に予め定められた変調量−角度間関係であって信号処理回路６０のコンピュータのメモリに予め記憶されているものに従い、上記検出された反射面角度θに対応する強度変調量が今回の強度変調量として決定される。その変調量−角度間関係は、図１４にグラフで表わされている反射面角度θと反射光の強度偏差（目標強度と補正前強度との差）との関係を考慮して設定されている。

続いて、Ｓ１０４において、その決定された今回の強度変調量に基づき、変調信号が生成される。その後、Ｓ１０５において、その生成された変調信号がＡＯ変調器２６０に対して出力される。

以上で、この強度変調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、光スキャナ１０４が前記（１）項に係る「光スキャナ」の一例を構成し、信号処理回路６０が前記（１）、（２）または（４）項における「コントローラ」の一例を構成し、ＡＯ変調器２６０が前記（４）項における「変調器」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、ＲＳＤが前記（５）項に係る「画像形成装置」の一例を構成し、信号処理回路６０が前記（５）または（７）項における「コントローラ」の一例を構成し、変調信号出力部２６２が前記（７）項における「信号出力部」の一例を構成し、ＡＯ変調器２６０が同項における「変調器」の一例を構成しているのである。

なお付言すれば、以上説明したいくつかの第２実施形態においては、光スキャナ１０４による走査光すなわち反射光の強度を安定化させて画像を良好に表示することを目的として、光スキャナ１０４への照射光（光スキャナ１０４に入射する必要光と入射しない不要光とを含む。）の強度が反射面角度θに応じて変化させられる。これに対し、ビームディテクタ２００によるビーム検出の確実化と、網膜１４上に投影されるビームの強度の最適化（例えば、ビーム照射に起因して網膜１４に障害が発生しない程度にビームの露光量を制限する）とを両立させることを目的として、光スキャナ１０４への照射光の強度が反射面角度θに応じて変化させられる態様で本発明を実施することが可能である。

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実施形態に従う光スキャナ１０４を含む網膜走査型ディスプレイ装置を示す系統図である。 図１における光スキャナ１０４を組立て状態で示す斜視図である。 図１における光スキャナ１０４を示す分解斜視図である。 図２における振動体１２４の一部を示す縦断面図である。 図２における振動体１２４を示す斜視図である。 図１における水平走査駆動回路１８０のハードウェア構成を示すブロック図である。 図２における光スキャナ１０４に使用される照射光のビーム径を説明するための斜視図である。 図７における反射面１２０の角度に応じて入射光および反射光の横断面積が変化する様子を説明するための光路図である。 図１における光スキャナ１０４における反射面角度θと反射光の強度との関係を示すグラフである。 図１に示す網膜走査型ディスプレイ装置の全体処理を概念的に表わすブロック図である。 図１における映像信号補正部２４０がコンピュータを用いて実行する映像信号補正プログラムの内容を概念的に表わすフローチャートである。 本発明の第２実施形態に従う光スキャナ１０４を含む網膜走査型ディスプレイ装置を示す系統図である。 図１２に示す網膜走査型ディスプレイ装置の全体処理を概念的に表わすブロック図である。 図１２における光スキャナ１０４における反射面角度θと反射光の強度との関係を示すグラフである。 図１２における変調信号出力部２６２がコンピュータを用いて実行する強度変調プログラムの内容を概念的に表わすフローチャートである。 従来の光スキャナ３００に使用される照射光のビーム径を説明するための斜視図である。

符号の説明

２０ 光源ユニット
２４ 走査装置
３０，３２，３４ レーザ
６０ 信号処理回路
１００ 水平走査系
１０２ 垂直走査系
１０４ 光スキャナ
１２０ 反射面
１２２ 反射ミラー部
１２４ 振動体
２００ ビームディテクタ
２４０ 映像信号補正部
２６０ ＡＯ変調器
２６２ 変調信号出力部

Claims (9)

1. 入射した光を反射する反射面とその入射光の入射方向との角度を変化させることにより、その反射面からの反射光の走査を行う光スキャナであって、
   前記入射方向に対する前記反射面の角度である反射面角度に基づいて前記入射光の強度を制御するコントローラを含む光スキャナ。
2. 前記入射光は、前記反射面に対応するその横断面積が前記反射面角度に応じて変化し、前記コントローラは、前記反射面角度の変化によって前記反射面からの反射光の強度が変化しないように、前記反射面角度に基づいて前記入射光の強度を変化させる請求項１に記載の光スキャナ。
3. 当該光スキャナは、光を出射し、その出射する光の強度を第１信号に基づいて変調する光源と共に使用され、前記コントローラは、その光源に供給される前記第１信号を前記隼射面角度に基づいて制御する請求項１または２に記載の光スキャナ。
4. 当該光スキャナは、光を出射する光源、およびその光源から光が入射し、その入射した光の強度を第２信号に基づいて変調する変調器と共に使用され、前記コントローラは、その変調器に供給される前記第２信号を前記反射面角度に基づいて制御する請求項１または２に記載の光スキャナ。
5. 光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、
   前記光束を出射する光源と、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の光スキャナを有し、前記光源から出射した光束を走査する走査部と
   を含む画像形成装置。
6. 前記光源は、前記画像に対応する画像信号に基づき、その光源から出射する光束の強度を変調し、前記コントローラは、その光源に供給される前記画像信号を前記反射面角度に基づいて補正する信号補正部を含む請求項５に記載の画像形成装置。
7. さらに、変調信号に基づき、前記光源から出射した光束の強度を変調する変調器を含み、前記コントローラは、前記反射面角度に基づいて前記変調信号を生成して前記変調器に出力する信号出力部を含む請求項５または６に記載の画像形成装置。
8. 前記光源は、前記反射面に入射する必要光とその反射面に入射しない不要光とを一緒に発生させる横断面を前記光束が有する状態でその光束を前記反射面に向かって出射する請求項５ないし７のいずれかに記載の画像形成装置。
9. 前記走査部は、
   前記光源から出射した光束を主走査方向に高速で走査する主走査手段と、
   前記光源から出射した光束を前記主走査方向と交差する副走査方向に低速で走査する副走査手段と
   を含み、
   前記主走査手段は、請求項１ないし４のいずれかに記載の光スキャナを含み、
   前記コントローラは、その主走査手段における前記光スキャナの前記反射面の前記反射面角度に基づいてその反射面に入射する光束の強度を制御する請求項８に記載の画像形成装置。

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