JP2011180450A - 光走査装置及びそれを備えた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度等の変化により共振型偏向素子の共振周波数が変化した場合においても、偏向面を一定の揺動振幅に維持することができる光走査装置及びそれを備えた画像表示装置を提供する。
【解決手段】共振型偏向素子５０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を変化させ、偏向面５２の揺動振幅を検出して、共振型偏向素子５０固有の共振周波数を判定し、この共振周波数から所定周波数だけずれた周波数の駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０を駆動した後、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅を変更して偏向面５２の揺動振幅を所定値にする駆動制御部１０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置及びそれを備えた画像表示装置に関し、さらに詳細には、入射する光束を偏向する偏向面を有し、共振により偏向面が軸周りに揺動する共振型偏向素子により光束を走査する光走査装置及びそれを備えた画像表示装置に関する。

従来より、画像信号に応じた強度の光束を１次元方向又は２次元方向に走査する光走査装置が知られている。この光走査装置は、ユーザの少なくとも一方の網膜に走査して投影することにより画像を表示する網膜走査型画像表示装置や、スクリーン上に画像信号に応じた強度の光束を走査して画像を表示するスクリーン走査型画像表示装置などの画像表示装置に用いられている。

例えば、下記特許文献１に記載の画像表示装置では、相対的に高速に反射ミラーを揺動可能な共振型偏向素子と、相対的に低速に反射ミラーを揺動可能な非共振型偏向素子とにより光束を走査して画像を表示する。すなわち、画像信号に応じた強度で光源から出射された光束を、共振型偏向素子の反射ミラーを共振させて第１方向に走査し、さらに非共振型偏向素子の反射ミラーを鋸歯波状、三角波状又は台形波状に駆動させて光束を第２方向へ走査して、画像を表示する。なお、第１方向は例えば水平方向であり、第２方向は例えば垂直方向である。

特開２００６−２７６３９６号公報

共振型偏向素子を有する光走査装置では、共振型偏向素子の偏向面を共振型偏向素子固有の共振周波数で揺動させることにより、低消費電力かつ高速に偏向面を揺動させることができる。

しかし、共振型偏向素子固有の共振周波数は、共振型偏向素子の個体差によって異なるため、共振型偏向素子毎に共振周波数を検出して、共振型偏向素子を駆動させる必要がある。

しかし、共振型偏向素子は、周波数がずれたときに急激に偏向面の揺動振幅が変化する跳躍特性を有している。そのため、周囲温度等の変化により共振型偏向素子の共振周波数が変化した場合には、共振型偏向素子を駆動する駆動信号の周波数も追従して変更しなければ、偏向面の揺動振幅（振れ角）が急激に小さくなる恐れがある。このとき、駆動信号の周波数を変更することなく、偏向面を一定の揺動振幅に維持させようとして駆動信号の電圧を上昇させると、共振ポイントからずれたところで偏向面を揺動させることになるため共振型偏向素子の消費電力が増大してしまう。しかも、共振ポイントからずれたところで偏向面を揺動させた場合、大きな揺動振幅を得ることができない。

本発明は、周囲温度等の変化により共振型偏向素子の共振周波数が変化した場合においても、偏向面を一定の揺動振幅に維持することができる光走査装置及びそれを備えた画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、入射する光束を偏向する偏向面を有し、共振により前記偏向面が軸周りに揺動する共振型偏向素子と、前記共振型偏向素子を駆動する駆動信号の周波数を変化させ、前記偏向面の揺動振幅を検出して、前記共振型偏向素子固有の共振周波数を判定し、この共振周波数から所定周波数だけずれた周波数の前記駆動信号で前記共振型偏向素子を駆動した後、前記駆動信号の振幅を変更して前記偏向面の揺動振幅を所定値にする駆動手段と、を備えた光走査装置とした。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光走査装置において、前記共振型偏向素子は、メタル基板上に前記偏向面を含む領域が形成されたＭＥＭＳであり、前記駆動手段は、前記共振周波数から所定周波数だけ高い周波数の前記駆動信号で前記共振型偏向素子を駆動した後、前記偏向面の揺動振幅を所定値にすることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光走査装置において、前記共振型偏向素子は、シリコン基板上に前記偏向面を含む領域が形成されたＭＥＭＳであり、前記駆動手段は、前記共振周波数から所定周波数だけ低い周波数の前記駆動信号で前記共振型偏向素子を駆動した後、前記偏向面の揺動振幅を所定値にすることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査装置において、前記共振型偏向素子又はその周囲の温度を検出する温度検出手段を備え、前記所定周波数は、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいた周波数としたことを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、画像信号に応じた強度の光束を前記光走査装置により走査し、ユーザの少なくとも一方の眼に向けて出射させることで、画像を表示することを特徴とする網膜走査型の画像表示装置とした。

本発明によれば、共振周波数から所定周波数だけずれた周波数の駆動信号で共振型偏向素子を駆動した後、駆動信号の振幅レベルを変更して偏向面の揺動振幅を所定値にするので、周囲温度等の変化により共振型偏向素子の共振周波数が変化した場合においても、偏向面を一定の揺動振幅に維持することができる。

本発明の一実施形態に係る光走査装置の構成を示す図である。 共振型偏向素子の構成を示す図である。 共振型偏向素子の特性を示す図である。 共振型偏向素子の特性を示す図である。 共振型偏向素子の特性を示す図である。 共振型偏向素子の特性を示す図である。 共振型偏向素子の特性を示す図である。 偏向面の揺動振幅（振れ角）と偏向面との位相差との関係を示す図である。 駆動制御部の処理の流れを示す図である。 本発明の一実施形態に係る他の光走査装置の構成を示す図である。 別の偏向素子の構成を示す図である。 図１１に示す偏向素子の特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光走査装置及びそれを備えた画像表示装置について図面を参照して具体的に説明する。

［１．光走査装置の構成］
本実施形態に係る光走査装置１は、駆動制御部１０、直流電圧重畳部４０、共振型偏向素子５０、光源６０、ＢＤセンサ７０を有している。

駆動制御部１０は、共振型偏向素子５０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１を生成する駆動手段であり、周波数決定部１１と、振幅決定部１２と、駆動信号生成部１３とを有している。駆動信号生成部１３は、周波数決定部１１及び振幅決定部１２により決定された周波数ｆｏ及び振幅Ｖｐの駆動信号Ｓｉｇ１を生成して出力する。

直流電圧重畳部４０は、直流電圧印加部４１と、信号重畳回路４２とを有している。そして、駆動制御部１０から出力された駆動信号Ｓｉｇ１に、信号重畳回路４２により、直流電圧印加部４１で生成された直流電圧が重畳されて、共振型偏向素子５０の駆動部５１に印加される。共振型偏向素子５０の偏向面５２は、直流電圧に重畳された駆動信号Ｓｉｇ１に基づいて揺動する。なお、駆動部５１は、例えば圧電素子などにより構成される。

ここで、共振型偏向素子５０は、薄板状のメタル基板上に形成されたＭＥＭＳであり、例えば、図２に示すような形状を有している。また、メタル基板として、アルミ基板、銅基板、鉄基板などがある。図２に示す例では、共振型偏向素子５０は、駆動部５１と、偏向面（反射ミラー）５２と、枠体５３と、梁部５４，５４とを有して構成されている。そして、駆動部５１に直流電圧に重畳された駆動信号Ｓｉｇ１が印加され、この駆動部５１の変位により、駆動信号Ｓｉｇ１に応じた周波数で、枠体５３と梁部５４，５４と偏向面５２とが振動し、揺動軸Ｌｃを中心として、偏向面５２が軸周りに揺動する。なお、以下においては、偏向面５２の揺動振幅とは、偏向面５２の回転角度範囲であり、偏向面５２の振れ角である。

図３に、ある温度で所定振幅の駆動信号Ｓｉｇ１をその周波数を変化させながら入力したときの共振型偏向素子５０の偏向面５２の揺動振幅特性を示す。同図に示すように、共振周波数ｆｓから周波数が少しずれたところに急激に偏向面５２の揺動振幅が変化する跳躍現象が発生する箇所が存在する。そのため、周囲温度等の変化により共振型偏向素子５０の共振周波数ｆｓが変化した場合には、共振型偏向素子５０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１の周波数も追従して変更しなければ、偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなる恐れがある。

しかも、メタルで構成された共振型偏向素子５０では、図４に示すように、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を上昇させていったときの振幅特性と、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を下降させていったときの振幅特性が異なっている。そのため、偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなった後に、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数と共振型偏向素子５０の共振周波数ｆｓに合わせるのに時間がかかってしまう場合がある。なお、図４においては、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を下降させながら入力したときの特性を実線で示し、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を上昇させながら入力したときの特性を波線で示す。

そこで、本実施形態に係る光走査装置１では、所定振幅の駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を変化させながら共振型偏向素子５０固有の共振周波数ｆｓを判定し、図５に示すように、共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけ高い周波数ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０を駆動するようにしている。

このようにすることで、図６に示すように、温度変化等により共振型偏向素子５０の特性が、実線で示す特性から波線で示す特性となったときでも、偏向面５２の揺動振幅が小さくなることを抑えることができる。すなわち、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数ｆｏを、共振型偏向素子５０固有の共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけ高い周波数とすることで、温度変化などによる特性変化に対してマージンをとることができる。

また、共振型偏向素子５０の特性は、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐによっても変化する。図７に、共振型偏向素子５０の特性を駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐ毎（５Ｖ，７Ｖ，１１．５Ｖ，１３Ｖ）に示した図である。同図からわかるように、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐによって揺動振幅も異なるが、共振型偏向素子５０の共振周波数ｆｓも異なるものとなる。従って、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を決定した後に、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐを変化させると、偏向面５２の揺動振幅が変化する。特に、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐを大きく変化させると、偏向面５２の揺動振幅の変化が大きくなり、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数が共振周波数ｆｓから外れて偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなる恐れがある。

そこで、本実施形態に係る光走査装置１では、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅をある程度大きくしてからその周波数ｆｏを決定し、その後、振幅Ｖｐを変化させるようにしている。このようにすることで、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅変化によって、偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなることを抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る光走査装置１では、駆動信号Ｓｉｇ１の信号波形と偏向面５２の揺動波形との位相差θｃに基づいて、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を調整することで、さらに精度よく偏向面５２を揺動するようにしている。すなわち、上述のように駆動信号Ｓｉｇ１の周波数ｆｏを決定し、偏向面５２の揺動振幅を所定振幅に調整した後に、位相差θｃが所定範囲Ｚ内（図８参照）から外れたときには、位相差θｃが所定範囲Ｚ内になるように駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を調整するようにしている。

また、偏向面５２の揺動振幅を一定に保つために駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐを変更する場合には、位相差θｃが所定範囲Ｚ内であることを確認してから行うようにしている。すなわち、位相差θｃによる周波数制御を、振幅制御よりも優先して行うようにしている。このようにすることでさらに精度よく偏向面５２を揺動することができる。

このように光走査装置１が構成されているため、跳躍現象により偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなることを抑制することができ、しかも、光走査装置１の環境変化に合わせた共振型偏向素子５０の駆動を行うことが可能となる。

上述した動作を行うために、周波数決定部１１、振幅決定部１２、駆動信号生成部１３、直流電圧重畳部４０は以下のように構成されている。

周波数決定部１１は、共振型偏向素子５０固有の共振周波数ｆｓを検出し、この共振周波数ｆｓに対して所定周波数Δｆだけ高い周波数を駆動信号Ｓｉｇ１の周波数ｆｏとして決定する。その後、周波数決定部１１は、駆動信号Ｓｉｇ１と共振型偏向素子５０の揺動状態との位相差θｃが所定範囲を超えたとき、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数ｆｏを変更して、その位相差θｃが所定範囲Ｚ内になるようにする。

この周波数決定部１１は、位相差判定部２１と、目標位相差記憶部２２と、位相差比較部２３と、周波数変更制御部２４とを有している。

位相差判定部２１は、駆動信号Ｓｉｇ１の信号波形と偏向面５２の揺動波形との位相差θｃを判定する。ＢＤセンサ７０は偏向面５２が所定の傾き角にあるときに光源６０から出射された光束を入射して検出信号（以下、ＢＤ信号という）を出力している。位相差判定部２１は、ＢＤセンサ７０からのＢＤ信号の出力タイミングに基づき、偏向面５２の傾き角の状態を検出し、駆動信号Ｓｉｇ１の波形と偏向面５２の揺動波形との位相差θｃを判定する。なお、位相差判定部２１において、例えば、偏向面５２の傾き角が＋Ｘから−Ｘへ向かうときに傾き角が０になるタイミングと、駆動信号Ｓｉｇ１が正電圧から負電圧に向かうときに電圧が０Ｖとなるタイミングとを検出し、これらのタイミングの関係から、位相差θｃを判定するようにしてもよい。なお、正電圧の駆動信号を駆動部５１に印加したときに、偏向面５２の傾き角が＋Ｘ方向になるものとする。

目標位相差記憶部２２は、起動許容できる位相差θｃの範囲である所定範囲Ｚの情報が記憶されている。位相差比較部２３は、位相差判定部２１から位相差θｃを取得すると共に、目標位相差記憶部２２から所定範囲Ｚの情報を取得し、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にあるか否かを判定する。

周波数変更制御部２４は、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にないときに、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが所定範囲Ｚの上限値より大きければ、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが所定範囲Ｚの下限値より小さくなるまで、駆動信号生成部１３を制御して駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を上げてく。その後、周波数変更制御部２４は、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが９０［ｄｅｇ］になるまで、駆動信号生成部１３を制御して駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を下げていく。位相差判定部２１から出力される位相差θｃが９０［ｄｅｇ］になったときの駆動信号Ｓｉｇ１の周波数が共振周波数ｆｓである。従って、周波数変更制御部２４は、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが９０［ｄｅｇ］になったときの駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓとして判定する。

また、周波数変更制御部２４は、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にないときに、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが所定範囲Ｚの下限値より小さければ、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが９０［ｄｅｇ］となるまで、駆動信号生成部１３を制御して駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を下げていく。そして、周波数変更制御部２４は、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが９０［ｄｅｇ］になったときの駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓとして判定する。

このように、周波数変更制御部２４は、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にないとき、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を増減させて共振周波数ｆｓを判定するようにしている。そして、周波数変更制御部２４は、駆動信号生成部１３を制御して、共振周波数ｆｓよりも所定周波数Δｆだけ高い周波数ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１を駆動信号生成部１３から出力させるようにしている。

振幅決定部１２は、共振型偏向素子５０の偏向面５２の揺動振幅が目標とする揺動振幅となるように、駆動信号生成部１３から出力される駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐを制御するものであり、位相差θｃが所定範囲Ｚ内となったときに動作する。

振幅決定部１２は、振幅制御実行切換部３１と、振幅判定部３２と、目標振幅記憶部３３と、振幅比較部３４と、振幅変更制御部３５とを有している。

振幅制御実行切換部３１は、位相差比較部２３からの出力に基づき、振幅判定部３２の動作を制御する。すなわち、振幅制御実行切換部３１は、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にあるときに出力される信号を位相差比較部２３から受信すると、振幅判定部３２を非動作状態にし、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にないときに出力される信号を位相差比較部２３から受信すると、振幅判定部３２を動作状態にする。

振幅判定部３２は、振幅制御実行切換部３１から動作状態にされたとき、ＢＤセンサ７０からのＢＤ信号の有無やタイミングに基づき、偏向面５２の揺動振幅を検出する。具体的には、振幅判定部３２は、ＢＤセンサ７０からＢＤ信号が出力されないときには、偏向面５２の揺動振幅が所定範囲以下であると判断する。また、ＢＤセンサ７０からＢＤ信号が出力されているとき、ＢＤセンサ７０から出力されるＢＤ信号の間隔に基づき、偏向面５２の揺動振幅を判断する。

目標振幅記憶部３３は、目標とする偏向面５２の揺動振幅（以下、揺動振幅Ｘａとする）の情報を記憶している。振幅比較部３４は、振幅判定部３２から偏向面５２の揺動振幅（以下、揺動振幅Ｘｒとする）の情報を取得すると共に、目標振幅記憶部３３から揺動振幅Ｘａの情報を取得し、揺動振幅Ｘｒと揺動振幅Ｘａとの振幅差（以下、振幅差Ｘｓとする）を求める。なお、振幅比較部３４は、振幅判定部３２が動作していないときには、揺動振幅Ｘｒと揺動振幅Ｘａとの差がない旨の情報（Ｘｓ＝０）を出力する。

振幅変更制御部３５は、振幅差Ｘｓが所定範囲内となるように、駆動信号生成部１３を制御して駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐを変更する。なお、振幅変更制御部３５は、振幅差Ｘｓが所定範囲内にあるときには、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐの変更は行わない。

以上のように構成された光走査装置１における駆動制御部１０の処理を、図９を参照して説明する。なお、図９は、理解を容易にするために簡略化した図としている。

駆動制御部１０において、共振型偏向素子５０の駆動を開始すると、まず、周波数決定部１１及び振幅決定部１２は所定の周波数及び振幅の駆動信号Ｓｉｇ１が駆動信号生成部１３から出力されるように、駆動信号生成部１３を制御する（ステップＳ１０）。具体的には、周波数決定部１１の周波数変更制御部２４は、駆動信号Ｓｉｇ１が所定の周波数となるように駆動信号生成部１３を制御する。また、振幅決定部１２の振幅変更制御部３５は、駆動信号Ｓｉｇ１が所定の振幅となるように駆動信号生成部１３を制御する。所定の周波数及び振幅とは、例えば、デフォルトとして予め周波数変更制御部２４及び振幅変更制御部３５に設定されている周波数及び振幅である。なお、周波数変更制御部２４及び振幅変更制御部３５が最後に駆動信号Ｓｉｇ１を制御したときの周波数及び振幅を記憶しておき、この周波数及び振幅を所定の周波数及び振幅としてもよい。

次に、周波数決定部１１において、位相差判定部２１と位相差比較部２３とがその動作を開始する。位相差判定部２１は、駆動信号Ｓｉｇ１の信号波形と偏向面５２の揺動波形との位相差θｃを判定する（ステップＳ１１）。この位相差θｃは、位相差比較部２３において、目標位相差記憶部２２から取得した所定範囲Ｚと比較され、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にあるか否かを判定される（ステップＳ１２）。

位相差θｃが所定範囲Ｚ内にないとき（ステップＳ１２：Ｎｏ）、周波数変更制御部２４は、上述したように、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を増減させて共振周波数ｆｓを検出する。すなわち、周波数変更制御部２４は、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を増減させていき、位相差判定部２１から出力される位相差θｃが９０［ｄｅｇ］になったときの駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓとして判定する。そして、周波数変更制御部２４は、駆動信号生成部１３を制御して、共振周波数ｆｓよりも所定周波数Δｆだけ高い周波数ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１を駆動信号生成部１３から出力させる（ステップＳ１３）。

一方、位相差θｃが所定範囲Ｚ内にあるとき（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、周波数変更制御部２４から出力される信号に基づき、振幅制御実行切換部３１は振幅判定部３２を動作状態にし、振幅判定部３２により偏向面５２の揺動振幅を検出させる（ステップＳ１４）。そして、振幅比較部３４は、振幅判定部３２から偏向面５２の揺動振幅Ｘｒと目標とする偏向面５２の揺動振幅Ｘａとを比較し、それらの振幅差Ｘｓを求める（ステップＳ１５）。そして、振幅変更制御部３５は、振幅差Ｘｓが所定範囲外であるときには（ステップＳ１５：Ｎｏ）、振幅差Ｘｓが所定範囲内になるように、駆動信号生成部１３を制御して駆動信号Ｓｉｇ１の振幅を変更する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１３又はステップＳ１６の処理が終了したとき、一方、振幅差Ｘｓが所定範囲内であるときには（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、駆動制御部１０は、外部（例えば、操作部）からの入力に基づき、終了指示があったか否かを判定する（ステップＳ１７）。そして、終了指示がある場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）には、駆動制御部１０は、共振型偏向素子５０の偏向面５２の揺動を中止して、共振型偏向素子５０の駆動処理を終了する。一方、終了指示がない場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）には、処理をステップＳ１１に戻し、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。

以上のように、本実施形態に係る光走査装置１では、共振型偏向素子５０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を変化させ、偏向面５２の揺動状態を検出して、共振型偏向素子５０固有の共振周波数ｆｓを判定する。そして、光走査装置１は、この共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけずれた周波数の駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０を駆動した後、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅Ｖｐを変更して偏向面５２の揺動振幅を所定値にする。

このように光走査装置１が構成されているため、跳躍現象により偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなることを抑制することができ、しかも、周囲温度等の変化により共振型偏向素子５０の共振周波数ｆｓが変化した場合においても、偏向面５２を一定の揺動振幅に維持することができる。

また、共振型偏向素子５０は、メタル基板上に偏向面５２を含む領域が形成されたＭＥＭＳであり、図３に示すような特性を有している。すなわち、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数よりも低くしていくと急激に偏向面５２の揺動振幅（振れ角）が小さくなるが、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数から高くしていっても偏向面５２の揺動振幅（振れ角）は急激に小さくならない。そこで、駆動制御部１０は、共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけ高い周波数ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０を駆動するようにしている。このようにすることで、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓと同一としない場合であっても、小さい駆動信号Ｓｉｇ１で偏向面５２の揺動振幅を大きくとることができ、省電力化を図ることができる。

なお、ＢＤセンサ７０に代えて、共振型偏向素子５０により走査された光束が入射する位置に複数の光電変換素子をアレイ状に設けたラインイメージセンサを設け、ラインイメージセンサの各光電変換素子から出力される信号に基づいて偏向面５２の揺動状態を検出するようにしてもよい。また、共振型偏向素子５０において、枠体５３に新たに圧電素子を設け、偏向面５２の揺動に応じて圧電素子から出力される電気信号に基づき、偏向面５２の揺動状態を検出するようにしてもよい。

また、図１０に示すように、共振型偏向素子５０又はその周囲の温度を検出する温度検出部８０を設け、温度検出部８０による検出結果に応じて、所定周波数Δｆを変更するようにしてもよい。すなわち、周波数変更制御部２４において、温度Ｔと周波数とを関連づけたテーブルを記憶しておき、温度検出部８０によって検出された温度Ｔに関連づけられた周波数を前記テーブルから読み出して、この周波数を所定周波数Δｆとする。このようにすることで、温度に応じて適切に所定周波数Δｆを決めることができ、周囲温度等の変化により共振型偏向素子の共振周波数が変化した場合においても、より安定的に偏向面５２を一定の揺動振幅に維持することができる。なお、温度検出部８０は本発明の温度検出手段に相当する。

また、共振型偏向素子５０は、メタル基板上に偏向面５２を含む領域が形成されたＭＥＭＳとしたが、シリコン基板上に偏向面を含む領域が形成されたＭＥＭＳを用いるようにしてもよい。例えば、共振型偏向素子５０’を図１１に示すように構成する。同図に示すように、共振型偏向素子５０’は、その偏向面５２’である反射ミラーを四角形状とし、その表面に反射面が形成されている。偏向面５２’は２辺に連結する梁部５４’，５４’により支持され、梁部５４’，５４’は枠体５３’に連結して支持されている。つまり、偏向面５２’は２つの梁部５４’，５４’を介して枠体５３’に揺動可能に支持されている。また、枠体５３’の１つの隅部から梁部５４’に向かって延びる圧電素子からなる駆動部５１’が枠体５３’上に形成されている。これらの偏向面５２’，枠体５３’，梁部５４’，５４’はシリコン基板上に形成されるものである。そして、駆動制御部１０から駆動信号Ｓｉｇ１を直流電圧を重畳して駆動部５１’に入力することで、梁部５４’，５４’の長手方向を揺動軸Ｌｃ’として、偏向面５２’が揺動軸Ｌｃ’周りに揺動する。この共振型偏向素子５０’では、図１２に示すように、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓよりも高くしていくと急激に偏向面５２の揺動振幅（振れ角）が小さくなるが、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓから低くしていっても偏向面５２の揺動振幅（振れ角）は急激に小さくならない。そこで、駆動制御部１０は、共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけ低い周波数ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０’を駆動する。このようにすることで、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓと同一としない場合であっても、小さい駆動信号Ｓｉｇ１で偏向面５２の揺動振幅を大きくとることができ、省電力化を図ることができる。

［２．画像表示装置］
次に、上記光走査装置を適用した画像表示装置について説明する。本実施形態に係る画像表示装置は、光走査型画像表示装置であり、画像信号に応じて強度変調したレーザ光をレーザから出射し、このレーザ光を走査部により２次元方向に走査し、投射対象に投射して画像を表示するものである。以下においては、網膜走査型の画像表示装置（以下、ＲＳＤという）を一例に挙げて説明するが、スクリーン投射型の画像表示装置などにも適用することができる。

本実施形態に係るＲＳＤの電気的構成及び光学的構成について、図１３を参照して説明する。

本実施形態に係るＲＳＤ１００は、外部入力端子（図示せず）から入力された画像信号Ｓに基づいて、画像を形成するための要素となるＲ（赤色）駆動信号１２０ｒ，Ｇ（緑色）駆動信号１２０ｇ，Ｂ（青色）駆動信号１２０ｂを画素単位で生成する制御部１１０を備えている。また、制御部１１０は、高速走査部１５０で使用される高速駆動信号１１１と、低速走査部１６０で使用される低速駆動信号１１２とをそれぞれ出力する。

Ｒレーザドライバ１２６，Ｇレーザドライバ１２７，Ｂレーザドライバ１２８は、それぞれ制御部１１０から出力されるＲ駆動信号１２０ｒ，Ｇ駆動信号１２０ｇ，Ｂ駆動信号１２０ｂをもとに、Ｒレーザ１２３，Ｇレーザ１２４，Ｂレーザ１２５へそれぞれ駆動電流を供給する。各レーザ１２３，１２４，１２５は、各レーザドライバ１２６，１２７，１２８から供給される駆動電流に応じて強度変調されたレーザ光を出射する。各レーザ１２３，１２４，１２５から出射したＲ（赤色）レーザ光Ｌｒ，Ｇ（緑色）レーザ光Ｌｇ、Ｂ（青色）レーザ光Ｌｂは、コリメート光学系１３１，１３２，１３３によってそれぞれ平行光化された後に、ダイクロイックミラー１３４，１３５，１３６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー１３４，１３５，１３６により、３原色の各レーザ光Ｌｒ，Ｌｇ，Ｌｂが波長選択的に反射・透過して結合光学系１３７に達し、合波されて光ファイバケーブル１４０へ出射される。

光ファイバケーブル１４０を介して出射されるレーザ光はコリメート光学系１４１により平行光化され、高速走査部１５０へ入射される。高速走査部１５０は、レーザ光を水平方向に走査するための偏向面（反射ミラー）１５２を有する共振型偏向素子１５１を備えており、高速走査駆動回路１５３により高速駆動信号１１１に基づいて共振型偏向素子１５１を駆動し、偏向面１５２によりレーザ光を偏向して走査する。高速走査部１５０と低速走査部１６０との間には、第１リレー光学系１５５が設けられており、高速走査部１５０により操作されたレーザ光が、低速走査部１６０に入射する。

低速走査部１６０は、レーザ光を垂直方向に走査するための偏向面（反射ミラー）１６２を有する非共振型偏向素子１６１を有しており、低速走査駆動回路１６３により低速駆動信号１１２に基づいて非共振型偏向素子１６１を駆動する。この低速走査部１６０は、表示すべき画像の１フレームごとに、画像を形成するためのレーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かって垂直方向に走査する。ここで「走査線」とは、高速走査部１５０による水平方向への片側１走査を意味する。非共振型偏向素子１６１によって走査されたレーザ光は、正の屈折力を持つ２つのレンズ１７０ａ，１７０ｂが直列配置された第２リレー光学系１７０を介して、眼２０１の前方に位置させたハーフミラー１８０で反射されてユーザの瞳孔２０１ａに入射する。これにより、網膜２０１ｂ上に画像信号Ｓに応じた画像が投影され、ユーザは瞳孔２０１ａに入射するレーザ光を画像として認識する。また、ハーフミラー１８０は外光Ｌａを透過してユーザの瞳孔２０１ａに入射させるようにしており、これによりユーザは外光Ｌａに基づく外景にレーザ光に基づく画像を重ねた画像を視認することができる。

以上のように構成されたＲＳＤ１００では、制御部１１０が上記光走査装置１の駆動制御部１０と同様の回路構成を有して動作し、高速走査駆動回路１５３が直流電圧重畳部４０と同様の回路構成を有して動作する。すなわち、ＲＳＤ１００では、共振型偏向素子１５１を駆動する高速駆動信号１１１の周波数を変化させ、ＢＤセンサ１５４から出力されるＢＤ信号に基き偏向面１５２の揺動振幅を検出して、共振型偏向素子１５１固有の共振周波数ｆｓを判定する。そして、ＲＳＤ１００は、この共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけずれた周波数の高速駆動信号１１１で共振型偏向素子１５１を駆動した後、高速駆動信号１１１の振幅を変更して偏向面１５２の揺動振幅を所定値にする。

このようにＲＳＤ１００が構成されているため、跳躍現象により偏向面１５２の揺動振幅が急激に小さくなることを抑制することができ、しかも、周囲温度等の変化により共振型偏向素子１５１の共振周波数ｆｓが変化した場合においても、偏向面１５２を一定の揺動振幅に維持することができる。

本発明を、上述してきた実施形態を通して説明したが、本実施形態のＲＳＤ１によれば、以下の効果が期待できる。

（１）本実施形態の光走査装置１は、入射する光束を偏向する偏向面５２，５２’を有し、共振により偏向面５２，５２が揺動軸Ｌｃ，Ｌｃ’周りに揺動する共振型偏向素子５０，５０’を有している。さらに、光走査装置１は、駆動制御部１０（駆動手段）を備え、この駆動制御部１０により、共振型偏向素子５０，５０’を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を変化させ、偏向面５２，５２’の揺動振幅を検出して、共振型偏向素子５０，５０’固有の共振周波数を判定する。そして、駆動制御部１０は、この共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけずれた周波数ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０，５０’を駆動した後、駆動信号Ｓｉｇ１の振幅を変更して偏向面５２，５２’の揺動振幅を所定値にする。従って、跳躍現象により偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなることを抑制することができ、しかも、周囲温度等の変化により共振型偏向素子５０の共振周波数ｆｓが変化した場合においても、偏向面５２を一定の揺動振幅に維持することができる。

（２）また、共振型偏向素子５０は、メタル基板上に偏向面５２を含む領域が形成されたＭＥＭＳであり、駆動制御部１０は、共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけ高い周波数ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０を駆動した後、偏向面５２の揺動振幅を所定値にするので、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓと同一としない場合であっても、小さい駆動信号Ｓｉｇ１で偏向面５２の揺動振幅を大きくとることができ、省電力化を図ることができる。

（３）共振型偏向素子５０’は、シリコン基板上に偏向面５２’を含む領域が形成されたＭＥＭＳであり、駆動制御部１０は、共振周波数ｆｓから所定周波数Δｆだけ低い周波数ｆｓの駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０’を駆動した後、偏向面５２’の揺動振幅を所定値にするので、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を共振周波数ｆｓと同一としない場合であっても、小さい駆動信号Ｓｉｇ１で偏向面５２’の揺動振幅を大きくとることができ、省電力化を図ることができる。

（４）共振型偏向素子５０，５０’又はその周囲の温度を検出する温度検出部８０を備え、所定周波数Δｆは、温度検出部８０によって検出された温度に基づいた周波数としているので、周囲温度等の変化により共振型偏向素子５０，５０’の共振周波数ｆｓが変化した場合においても、より安定的に偏向面５２，５２’を一定の揺動振幅に維持することができる。

最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１ 光走査装置
１０ 駆動制御部
４０ 直流電圧重畳部
５０，５０’，１５０ 共振型偏向素子
５２，５２’，１５２ 偏向面
８０ 温度検出部

Claims (5)

1. 入射する光束を偏向する偏向面を有し、共振により前記偏向面が軸周りに揺動する共振型偏向素子と、
   前記共振型偏向素子を駆動する駆動信号の周波数を変化させ、前記偏向面の揺動振幅を検出して、前記共振型偏向素子固有の共振周波数を判定し、この共振周波数から所定周波数だけずれた周波数の前記駆動信号で前記共振型偏向素子を駆動した後、前記駆動信号の振幅を変更して前記偏向面の揺動振幅を所定値にする駆動手段と、を備えた光走査装置。
2. 前記共振型偏向素子は、メタル基板上に前記偏向面を含む領域が形成されたＭＥＭＳであり、
   前記駆動手段は、前記共振周波数から所定周波数だけ高い周波数の前記駆動信号で前記共振型偏向素子を駆動した後、前記偏向面の揺動振幅を所定値にする
   ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記共振型偏向素子は、シリコン基板上に前記偏向面を含む領域が形成されたＭＥＭＳであり、
   前記駆動手段は、前記共振周波数から所定周波数だけ低い周波数の前記駆動信号で前記共振型偏向素子を駆動した後、前記偏向面の揺動振幅を所定値にする
   ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記共振型偏向素子又はその周囲の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記所定周波数は、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいた周波数とした
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、画像信号に応じた強度の光束を前記光走査装置により走査し、ユーザの少なくとも一方の眼に向けて出射させることで、画像を表示することを特徴とする網膜走査型の画像表示装置。

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