JP2012003051A - 走査型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低速走査素子に共振成分が重畳した場合に、この共振成分の重畳状態を検出することができる走査型画像表示装置を提供すること。
【解決手段】画像信号Ｓに応じた強度の光束を出射する光源部２０と、光束を第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子６１と、光束を第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子７１とを有し、光源部２０から出射された光束を２次元走査する走査部５０と、走査部５０で走査された光束を被投射対象に投射する投射部８２,８とを有し、低速走査素子７１により走査された光束が入射する第２光検出部９３を低速走査素子７１の後段に光束が所定回数以上通過するように有し、第２光検出部９３の受光面９５を繰り返し通過する光束の各軌跡の第２方向における間隔に基づいて、有効走査範囲における低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像信号に応じた強度の光束を２次元走査して被投射対象に投射することにより画像を表示するようにした走査型画像表示装置に関するものである。

この種の走査型画像表示装置として、光源部から出射された光束を２次元走査する走査部と、この走査部で走査された光束を被投射対象に投射する投射部とを備え、被投射対象であるスクリーンや眼の網膜に画像を形成させるようにしたものが知られている。

上記走査部の構成としては、光束を第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子と、光束を前記第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子とを具備した構成が知られている。

かかる走査素子のうち低速走査素子は、反射ミラーを支持する梁部の捻れ変位により反射ミラーを揺動軸回りに揺動させる構成であり、図１７に示すように、反射ミラーの角度が鋸波形状に周期的に変化するように駆動される。そして、同図に示すように、低速走査素子の反射ミラーの揺動角速度が一定となって、第２方向への走査速度が一定となる有効走査範囲において、反射ミラーにより光束を走査するようにしている。

しかし、低速走査素子において、反射ミラーは弾性のある梁部を介して揺動可能に支持されるため、反射ミラー及び梁部で決まる固有の共振モードと、当該共振モードに対応する共振周波数が存在する。したがって、低速走査素子の反射ミラーを駆動する駆動信号の波形に低速走査素子固有の共振周波数の成分が含まれていると、低速走査素子において前記共振周波数の振動である共振が励起される。その結果、図１８に示すように、反射ミラーにおける鋸波形状の揺動に共振の成分が重畳し、有効走査範囲において反射ミラーの揺動角速度が周期的に変動してしまい、光束の走査を適切に行なうことができない事態が生じる。

このように、反射ミラーの揺動に共振の成分が重畳されると、図１９に示すように、表示される画像に粗密のむらが現れたり、表示される画像の輪郭などが歪んだりしてしまい、表示する画像の品質を低下させる原因となる。

そこで、本出願人は、このような画像品質の劣化を防止するために、低速走査素子を駆動する駆動信号を、ローパスフィルタによるフィルタリング処理を行なって生成することで、共振成分の重畳を抑制する技術を提案している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２６０９５号公報

しかしながら、特許文献１では、低速走査素子の構造や個体差により、共振成分の重畳を十分に抑制することができない場合があり、共振の発生自体は許容しつつ画像品質の劣化を防止するといった新たな観点からの考察が必要となる。そのためには、低速走査素子の反射ミラーの揺動への共振成分の重畳状態を検出することが必要となる。

そこで、本発明では、低速走査素子の反射ミラーの揺動に共振成分が重畳しているか否か、重畳していた場合に、この共振成分の重畳状態を検出することができる走査型画像表示装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、画像信号に応じた強度の光束を出射する光源部と、光束を第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子と、光束を前記第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子とを有し、前記光源部から出射された光束を２次元走査する走査部と、前記走査部で走査された光束を被投射対象に投射する投射部と、前記低速走査素子により走査された光束が入射する光検出部を前記低速走査素子の後段に前記光束が所定回数以上通過するように有し、前記光検出部の受光面を繰り返し通過する光束の各軌跡の前記第２方向における間隔に基づいて、有効走査範囲における前記低速走査素子の走査速度の周期的な変動を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする走査型画像表示装置とした。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の走査型画像表示装置において、前記光検出部は、前記受光面を有するフォトダイオードを有し、前記受光面のうち前記光束が実際に入射する受光面は、所定の形状を有し、所定の位置に配置されており、前記検出部は、前記フォトダイオードの出力に基づく信号により、前記低速走査素子の走査速度の周期的な変動を検出することを特徴とした。

また、請求項３に係る本発明は、請求項１〜２のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置において、前記光束が実際に入射する受光面は、前記第２方向の位置に応じて前記第１方向の幅を変化させた形状であることを特徴とした。

また、請求項４に係る本発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置において、前記光束が実際に入射する受光面は、前記第２方向の長さを、少なくとも前記低速走査素子の前記変動の周期を検出可能な長さとしたことを特徴とした。

また、請求項５に係る発明は、請求項１に記載の走査型画像表示装置において、前記光検出部は、前記受光面を有する第１フォトダイオードと、第２フォトダイオードとを有し、前記第１フォトダイオードと前記第２フォトダイオードとは、前記第１方向に互いに隣接するように並んで配置され、前記検出部は、前記第１フォトダイオードの出力に基づく第１信号により、前記低速走査素子の走査速度の周期的な変動を検出し、前記第１及び第２フォトダイオードの出力に基づく第２信号により、前記高速走査素子の走査状態を検出することを特徴とした。

また、請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置において、前記検出部による検出結果に応じて、前記光源部から出射される光束の強度を補正する制御部を備えたことを特徴とした。

また、請求項７に係る本発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置において、前記走査部によって走査された光束を、使用者の少なくとも一方の眼に入射して、画像を表示する網膜走査型の画像表示装置であることを特徴とした。

本発明によれば、低速走査素子の反射ミラーの揺動に共振成分の重畳を十分に抑制することができない場合であっても、この共振成分の重畳状態を検出することができるため、検出結果に応じた処理を行うことで、画像品質を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る走査型画像表示装置の外観を示す図である。 図１に示す走査型画像表示装置の電気的構成及び光学的構成を示す図である。 走査素子による光束の走査状態を示す図である。 光検出部の構成を示す図である。 第２光検出部による光束の受光方法についての説明図である。 第２光検出部による光束の受光方法についての説明図である。 第２光検出部の受光面の他の形状を示す図である。 検出信号の信号幅の変動を説明するため図である。 検出信号の信号幅の変動を説明するため図である。 第２光検出部の受光面上に遮光マスクを設けた構成を示す図である。 第２光検出部の他の構成を示す図である。 差幅と光量補正値との関係を示す図である。 差幅と補正波形との関係を示す図である。 第２光検出部の他の構成を示す図である。 図１４に示す第２光検出部の構成を示す図である。 図１４に示す第２光検出部の動作を説明するための図である。 低速走査素子の反射ミラーの揺動状態を示す図である。 低速走査素子において共振成分が重畳した反射ミラーに揺動状態を示す図である。 光量むらにより品質が低下した画像表示の一例を示す模式図である。

以下に、本発明に好適な実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明では、画像信号に応じた強度の光束を走査部により走査して、利用者の少なくとも一方の眼に入射して網膜に画像を投影し、画像を表示する網膜走査型画像表示装置（以下、ＲＳＤという）を例に挙げて説明する。なお、本発明は、ＲＳＤに限定されるものではなく、光束を走査して画像を表示する他の走査型画像表示装置に対して適用することができる。

［１．ＲＳＤの外観］
図１に示すように、本実施形態に係るＲＳＤ１は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイであり、コントロールユニット２、頭部装着具５を有している。コントロールユニット２と頭部装着具５とは伝送ケーブル部４を介して接続されている。伝送ケーブル部４は、コントロールユニット２から出射されたレーザ光を伝送する光ファイバケーブル４０（図２参照）を有する。また、この伝送ケーブル部４には、後述の投影部６に備えられる走査部５０とコントロールユニット２に備えられる後述の光源部２０との間で同期をとるための信号（高速走査駆動信号１６及び低速走査駆動信号１７）を伝送する駆動信号伝送用ケーブルも有する。

コントロールユニット２は、外部入力端子７から入力した画像信号Ｓに応じた強度のレーザ光（以下、画像形成用のレーザ光という）を伝送ケーブル部４へ出射する。

頭部装着具５は、投影部６と、この投影部６を支持する眼鏡型フレーム９とから構成される。投影部６は、伝送ケーブル部４の光ファイバケーブル４０を介して伝送されてきたレーザ光を走査部５０により２次元方向に走査し、利用者の眼１０１へ投射する。これにより、利用者の眼１０１の網膜には、２次元方向に走査された画像が投影され、利用者は画像信号Ｓに応じた画像を視認する。

また、投影部６には、利用者の眼１０１と対向する位置にハーフミラー８が設けられている。外光Ｌｙはハーフミラー８を透過して利用者の眼１０１に入射され、投影部６から出射されるレーザ光Ｌｘはハーフミラー８で反射して利用者の眼１０１に入射される。これにより、利用者は外光Ｌｙによる外景にレーザ光Ｌｘによる画像を重ねて視認することができる。

このようにＲＳＤ１は、画像信号Ｓに応じた画像と外景とを重ねて利用者の眼１０１の網膜に結像させるシースルー型ＲＳＤである。なお、ここでは、光束の一例として、効率面で有利であるレーザ光を用いているが、光束はレーザ光に限られるものではない。

［２．ＲＳＤ１の電気的構成及び光学的構成］
次に、ＲＳＤ１の電気的構成及び光学的構成について、図２を参照して説明する。

コントロールユニット２は、制御部１０と、光源部２０とを有している。

制御部１０は、駆動信号供給部１１、高速走査駆動信号生成部１２、低速走査駆動信号生成部１３を有している。

駆動信号供給部１１は、外部入力端子７から入力された画像信号Ｓ（例えば、ＮＴＳＣコンポジット信号、コンポーネント信号）に基づいて、画像を形成するための要素となる各信号を画素単位で生成する。すなわち、駆動信号供給部１１からは、三原色各色の画素単位の画像信号として、Ｒ（赤色）駆動信号１５ｒ，Ｇ（緑色）駆動信号１５ｇ，Ｂ（青色）駆動信号１５ｂが生成されて出力される。

高速走査駆動信号生成部１２は、高速走査部６０の光走査素子である後述の高速走査素子６１が共振状態で所定走査範囲となるように、高速走査部６０で使用される高速走査駆動信号１６を生成して出力する。高速走査駆動信号生成部１２は、高速走査素子６１の共振状態や走査範囲を、第１光検出部９０から出力される検出信号に基づいて判定する。そして、高速走査駆動信号生成部１２は、高速走査駆動信号１６の周波数が高速走査素子６１の共振周波数となり、高速走査素子６１の走査範囲が所定走査範囲となるように、高速走査駆動信号１６の周波数や振幅を調整する。

低速走査駆動信号生成部１３は、高速走査駆動信号１６の周波数に基づいて、低速走査部７０で使用される低速走査駆動信号１７を生成して出力する。この低速走査駆動信号１７は、鋸波形状の信号であるが、三角波状の信号や台形波状の信号であってもよい。後述するように、高速走査部６０では光源部２０から出射されるレーザ光を高速走査方向Ｘに往復走査しており、高速走査駆動信号１６の１／２周期が高速走査方向Ｘへの１走査となって１走査線が形成される。例えば、ＲＳＤ１において表示する画像の１フレーム当たりの総走査線数（レーザ光が走査されない無効走査部分を含む）が１０００であるとき、低速走査駆動信号１７の周期は、高速走査駆動信号１６の周期の５００倍の周期となる。

光源部２０には、Ｒレーザドライバ２１，Ｇレーザドライバ２２，Ｂレーザドライバ２３が設けられる。Ｒレーザドライバ２１，Ｇレーザドライバ２２，Ｂレーザドライバ２３は、それぞれ駆動信号供給部１１から出力されるＲ駆動信号１５ｒ，Ｇ駆動信号１５ｇ，Ｂ駆動信号１５ｂをもとに、Ｒレーザ２４，Ｇレーザ２５，Ｂレーザ２６へそれぞれ駆動電流を供給する。各レーザ２４，２５，２６は、各レーザドライバ２１，２２，２３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２４，２５，２６は、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。なお、半導体レーザを用いる場合は駆動電流を直接変調して、レーザ光の強度変調を行うことができるが、固体レーザを用いる場合は、各レーザそれぞれに外部変調器を備えてレーザ光の強度変調を行う必要がある。

さらに、光源部２０には、コリメート光学系２７，２８，２９と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー３０，３１，３２と、結合光学系３３とが設けられている。各レーザ２４，２５，２６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２７，２８，２９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３０，３１，３２に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー３０，３１，３２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３３に達し、合波されて光ファイバケーブル４０へ出射される。このように光ファイバケーブル４０へ出射されるレーザ光は、強度変調された各色のレーザ光が合波されたものである。

投影部６は、光源部２０と利用者の眼１０１との間に配置されており、走査部５０、第２リレー光学系８０、遮光部８３を有している。

走査部５０は、コリメート光学系５１、高速走査部６０、第１リレー光学系６５、低速走査部７０を有している。

コリメート光学系５１は、光源部２０で生成され、光ファイバケーブル４０を介して出射されるレーザ光を平行光化する。

高速走査部６０及び低速走査部７０は、光ファイバケーブル４０から入射されたレーザ光を画像として利用者の網膜１０１ｂに投影可能な状態にするために、高速走査方向Ｘと低速走査方向Ｙとに２次元走査する光学系である。高速走査部６０は、コリメート光学系５１で平行光化されて入射するレーザ光を高速走査方向Ｘに往復走査する。また、低速走査部７０は、高速走査部６０で高速走査方向Ｘに走査され、第１リレー光学系６５を介して入射するレーザ光を低速走査方向Ｙに走査する。この低速走査方向Ｙは高速走査方向Ｘに略直交する方向である。例えば、高速走査方向Ｘを水平方向、低速走査方向Ｙを垂直方向とすることができる。

高速走査部６０は、レーザ光を高速走査方向Ｘに相対的に高速に走査するための反射ミラー６２を有する共振型の高速走査素子６１と、高速走査駆動回路６３を備えている。高速走査駆動回路６３は、高速走査素子６１を共振させて高速走査素子６１の反射ミラー６２を揺動させる駆動信号を、高速走査駆動信号１６を増幅して生成する。この駆動信号は、高速走査素子６１固有の共振周波数を有する正弦波状波形等の信号であり、後述するように反射ミラー６２を揺動軸Ｊｘ回りに正弦波状に揺動させる。

一方、低速走査部７０は、レーザ光を低速走査方向Ｙに相対的に低速に走査するための反射ミラー７２を有する非共振型の光走査素子である低速走査素子７１と、低速走査駆動回路７３とを備える。低速走査素子７１は、図示しないが、反射ミラー７２が弾性のある梁部を介して支持部に支持されており、梁部の捻れ変位により反射ミラーを揺動軸Ｊｙ回りに揺動させることを可能としている。低速走査駆動回路７３は、低速走査素子７１の反射ミラー７２を非共振状態で強制的に揺動軸Ｊｙ回りに揺動させる駆動信号を、低速走査駆動信号１７を増幅して生成する。この駆動信号は、鋸波状波形の信号であり、反射ミラー７２を揺動軸Ｊｙ回りに鋸波状に揺動させる。低速走査部７０は、表示すべき画像の１フレームごとに、画像を形成する画像形成用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低速走査方向Ｙに走査する。

図３には、高速走査素子６１及び低速走査素子７１による最大走査範囲Ｇと有効走査範囲Ｚとの関係が示されている。ここで、「最大走査範囲Ｇ」とは、光源部２０から出射させたレーザ光を、高速走査素子６１及び低速走査素子７１が走査できる最大の範囲を意味する。また、「有効走査範囲Ｚ」は、高速走査素子６１及び低速走査素子７１が、画像信号Ｓに応じた強度のレーザ光を走査する範囲である。すなわち、有効走査範囲Ｚは、図３に示すように、高速走査素子６１の走査位置が−Ｘ１〜＋Ｘ１（反射ミラー６２の角度が−θｘ１〜＋θｘ１）であり、且つ低速走査素子７１の走査位置が−Ｙ１〜＋Ｙ１（反射ミラー７２の角度が−θｙ１〜＋θｙ１）であるときの走査部５０の走査範囲である。なお、高速走査素子６１は高速走査駆動信号１６を入力しない状態のときに、高速走査素子６１の反射ミラー６２が平衡位置Ｘ０となり、低速走査素子７１は低速走査駆動信号１７を入力しない状態のときに、低速走査素子７１の反射ミラー７２が平衡位置Ｙ０となる。

最大走査範囲Ｇのうち、高速走査素子６１及び低速走査素子７１による走査位置が有効走査範囲Ｚにあるタイミングで光源部２０から画像信号Ｓに応じて強度変調されたレーザ光が出射される。これにより、高速走査素子６１及び低速走査素子７１によって光源部２０から出射される画像形成用のレーザ光が有効走査範囲Ｚで走査される。この走査が１フレームの画像ごとに繰り返される。なお、最大走査範囲Ｇのうち有効走査範囲Ｚ外の範囲が無効走査範囲Ｗである。

図２に示すように、投影部６には、さらに、高速走査部６０と第１リレー光学系６５との間に、ハーフミラー９２が設けられている。ハーフミラー９２は、高速走査部６０により高速走査方向Ｘに走査されたレーザ光を低速走査部７０への方向と低速走査部７０とは異なる方向とへ分岐する機能を有しており、高速走査方向Ｘに走査されたレーザ光の一部を反射するとともに、残りを透過させる。高速走査部６０の走査位置が高速走査方向Ｘの所定位置（ここでは、一例として位置Ｘ０とする）にあるときに光源部２０から出射され、高速走査部６０及びハーフミラー９２を介してレーザ光が入射される位置に、第１光検出部９０が配置される。この第１光検出部９０は、ハーフミラー９２により反射されたレーザ光を受光すると、検出信号９１を生成して制御部１０へ送信する。

また、高速走査部６０と低速走査部７０との間でレーザ光を中継する第１リレー光学系６５は、高速走査素子６１の反射ミラー６２によって高速走査方向Ｘに走査されたレーザ光を低速走査素子７１の反射ミラーに収束させる。そして、このレーザ光が低速走査素子７１の反射ミラー７２によって低速走査方向Ｙに走査される。低速走査素子７１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８１，８２が直列配置された第２リレー光学系８０を介して、眼１０１の前方に位置させたハーフミラー８で反射されて利用者の瞳孔１０１ａに入射する。これにより、網膜１０１ｂ上に画像信号Ｓに応じた画像が投影され、利用者は瞳孔１０１ａ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８は外光Ｌｙを透過して利用者の瞳孔１０１ａに入射させるようにしており、これにより利用者は外光Ｌｙに基づく外景にレーザ光Ｌｘに基づく画像を重ねた画像を視認することができる。

なお、第２リレー光学系８０においては、レンズ８１によって、それぞれの走査光はその中心線を相互に略平行にされ、かつそれぞれ収束レーザ光に変換される。つまりレンズ８１はテレセントリックな光学系となっている。そして、レンズ８２によってそれぞれほぼ平行なレーザ光となると共に、これらのレーザ光の各中心線が利用者の瞳孔１０１ａに収束するように変換される。なお、本実施形態においては、レンズ８２とハーフミラー８により投射部が構成される。

第２リレー光学系８０により形成される像面（以下、中間像面という）位置又はその近傍には、中央部に開口を有する額縁状に形成された遮光部８３が設けられている。この遮光部８３は、有効走査範囲Ｚ外の無効走査範囲Ｗで走査された光のレンズ８２への入射を遮断する遮光板から構成されており、中間像面において有効走査範囲Ｚで走査されたレーザ光を通過させる開口を有している。この遮光部８３によって、後述する無効走査範囲Ｗで走査部５０により走査されたレーザ光がレンズ８２を経て利用者の瞳孔１０１ａへ入射することを防止している。なお、中間像面は、網膜１０１ｂと像共役の関係にある。

[３．共振成分の重畳状態の検出]
本実施形態に係るＲＳＤ１では、低速走査駆動信号１７の周波数成分の中に、低速走査素子７１固有の共振周波数成分が含まれており、反射ミラー７２の揺動に共振成分が重畳される。そのため、表示される画像に粗密のむらが現れ、その結果、表示する画像の品質を低下させる虞がある。

そこで、ＲＳＤ１においては、反射ミラー７２の揺動に対する共振成分の重畳状態を検出するようにして、その検出結果に応じて、共振に起因する画像品質の低下を効果的に防止するようにしている。

反射ミラー７２の揺動に対する共振成分の重畳状態の検出は、低速走査素子７１によって走査されたレーザ光が入射する第２光検出部９３から出力される検出信号９４に基づいて行われる。第２光検出部９３は、低速走査素子の後段にある遮光部８３を構成する遮光板の遮光面側に設けられる。具体的には、第２光検出部９３は、低速走査素子７１による低速走査方向Ｙの走査位置が＋Ｙ３〜＋Ｙ４（反射ミラー７２の角度が＋θｙ３〜＋θｙ４）にあるときに低速走査素子７１により走査されたレーザ光が入射する位置に配置される。

第２光検出部９３は、図４に示すように、受光面９５を有するフォトダイオードＰＤ１と、Ｉ／Ｖ変換アンプであるＡＭＰ１と、コンパレータＣＯＭＰ１とを有している。ＡＭＰ１は、参照電圧Ｖｒｅｆよりも低い電圧＋Ｖｃを基準電圧としており、フォトダイオードＰＤ１に電流Ｉ１が流れると、＋Ｖｃを基準として電流Ｉ１に応じた電圧を出力する。コンパレータＣＯＭＰ１は、ＡＭＰ１の出力が参照電圧Ｖｒｅｆ以上の電圧となったときに、立ち上がってＨｉｇｈレベルの電圧を出力し、その後ＡＭＰ１の出力が参照電圧Ｖｒｅｆよりも低くなったときに、立ち下がってＬｏｗレベルの電圧を出力する。このコンパレータＣＯＭＰ１から出力されるＨｉｇｈレベルの電圧が、第２光検出部９３から出力される検出信号９４となる。

また、第２光検出部９３は、図３に示すように、低速走査方向Ｙの位置に応じて高速走査方向Ｘの幅を変化させた形状としており、第２光検出部９３の受光面９５を繰り返し通過するレーザ光の各軌跡の低速走査方向Ｙの間隔を検出することで、走査線の間隔を検出可能としている。

図５に、第２光検出部９３の受光面９５を通過するレーザ光の軌跡の一例を示す。同図では、高速走査素子６１により各走査線Ｌ１〜Ｌ１４を形成するために高速走査方向Ｘに走査されて受光面９５を通過するレーザ光の軌跡を示している。

低速走査素子７１は、上述したように、低速走査方向Ｙの位置に応じて高速走査方向Ｘの幅を変化させた形状としているため、各走査線を形成するレーザ光の低速走査方向Ｙにおける通過位置に応じて第２光検出部９３から出力される検出信号９４の信号幅が変わる。

例えば、図６に示すように、走査線Ｌ３では、信号幅が時間Ｔａとなる検出信号９４が第２光検出部９３から出力され、走査線Ｌ４では、信号幅が時間Ｔｂとなる検出信号９４が第２光検出部９３から出力される。

このように、第２光検出部９３の受光面９５を通過するレーザ光の低速走査方向Ｙの位置に応じて信号幅が異なる検出信号９４が第２光検出部９３から出力される。そのため、検出信号９４の信号幅に応じて低速走査素子７１で走査されているレーザ光の低速走査方向Ｙの位置を検出することが可能となる。

なお、図７に示すように、高速走査方向Ｘの幅を低速走査方向Ｙに対してそれぞれ異ならせるように受光面９５を形成してもよい。このようにすることで、検出信号９４の信号幅によって低速走査素子７１によって走査されているレーザ光の低速走査方向Ｙの位置を容易に検出することが可能となる。

一方、図５に示す受光面９５の形状では、低速走査方向Ｙの異なる位置に対して高速走査方向Ｘの幅が同じとなる箇所があり、低速走査方向Ｙに対して高速走査方向Ｘの幅が小から大となる領域Ａとその逆の領域Ｂとを切り分ける必要がある。すなわち、第２光検出部９３から順次出力される検出信号９４の信号幅が前回の検出信号９４の信号幅よりも小さくなることを検出することで、領域Ａから領域Ｂへのレーザ光の移行を検出する必要がある。しかし、図５に示すように、低速走査方向Ｙを上下方向とする菱形に受光面９５を形成することによって、隣接する走査線間に対する検出信号９４の信号幅の変化を大きくすることができ、第２光検出部９３の小型化を図りつつも走査線間の間隔の検出が容易となる。

図５に示す受光面９５を有する第２光検出部９３から出力される検出信号９４の信号幅の変化は、反射ミラー７２の揺動に共振成分がないときとあるときとで図８に示すように異なる。

すなわち、反射ミラー７２の揺動に共振成分が重畳していないときには、隣接する走査線に対応する検出信号９４の信号幅の変化は一定である。例えば、走査線Ｌ２に対応する検出信号９４の信号幅と走査線Ｌ３に対応する検出信号９４の信号幅との差幅Ｖ₂₃は、走査線Ｌ３に対応する検出信号９４の信号幅と走査線Ｌ４に対応する検出信号９４の信号幅との差幅Ｖ₃₄（＝Ｔｂ−Ｔａ）と同じである。

一方、反射ミラー７２の揺動に共振成分が重畳しているときには、隣接する走査線に対応する検出信号９４の信号幅の変化は一定ではない。例えば、走査線Ｌ２に対応する検出信号９４の信号幅と走査線Ｌ３に対応する検出信号９４の信号幅の差幅Ｖ₂₃’は、走査線Ｌ３に対応する検出信号９４の信号幅と走査線Ｌ４に対応する検出信号９４の信号幅との差幅Ｖ₃₄’とは異なる。

差幅Ｖは走査線間隔に対応するものであり、低速走査駆動信号生成部１３は、第２光検出部９３から連続して出力される検出信号９４の信号幅を検出し、時間的に隣接する２つの検出信号９４の時間幅の差である差幅Ｖに基づき、隣接する走査線間の間隔を検出するようにしている。図８に示す例では、差幅Ｖ₂₃（＝差幅Ｖ₃₄）が基準の差幅（以下、基準差幅Ｖsという）であり、低速走査駆動信号生成部１３は隣接する２つの検出信号９４の時間幅の差幅Ｖが基準差幅Ｖsに対してどのような比率であるかを判定することで、隣接する走査線間の間隔を検出している。

隣接する走査線に対応する検出信号９４の信号幅の変化は、共振成分の周期（＝１／［低速走査素子７１固有の共振周波数］）を一周期として、変動する周期性を有している。すなわち、図９に示すように、差幅Ｖは、基準差幅Ｖsを中心に変動する。そのため、低速走査駆動信号生成部１３では、一周期分の差幅Ｖの変動を検出することで、有効走査範囲Ｙａでの低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出するようにしている。

低速走査駆動信号生成部１３において一周期分の差幅Ｖの変動を検出するために、第２光検出部９３における受光面９５のＹ方向の長さは、低速走査素子７１における共振による走査速度の変動の周期を検出可能な長さとしている。例えば、低速走査期間Ｔｙ（図３参照）を１／６０［ｓｅｃ］とする。このとき、低速走査素子７１固有の共振周波数としてあり得る最も低い周波数（通常は９００Ｈｚ前後）を６００Ｈｚとすると、低速走査方向Ｙにおいて、第２光検出部９３における受光面９５の長さを低速走査素子７１の一走査範囲の１／１０を超える長さとして、低速走査素子７１における共振による走査速度の変動の周期を検出するようにしている。なお、一周期分の差幅Ｖの検出間隔（回数）も、低速走査素子７１固有の共振周波数や２次共振などの周波数も含めてあり得る最も高い周波数を考慮して、所定間隔より短い検出間隔が望ましいが、これは、高速走査の各周期毎に検出できるこのような装置では特に問題とはならない。

このように、第２光検出部９３及び低速走査駆動信号生成部１３は、第２光検出部の受光面９５を繰り返し通過するレーザ光の各軌跡の低速走査方向Ｙにおける間隔に基づいて、有効走査範囲Ｙａにおける低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出する検出部として機能する。

なお、フォトダイオードＰＤ１の受光面９５は、菱形（図５）や三角形（図７）をしている必要はなく、低速走査方向Ｙの位置に応じて高速走査方向Ｘの幅を変化させた形状であればよい。

また、図１０に示すように、フォトダイオードＰＤ１の光検出領域である受光面９５上に所望の開口９６ａを有する遮光マスク９６を配置するようにしてもよい。このようにすることで、低速走査素子７１で走査されたレーザ光を受光する受光面の形状を容易に形成することができる。

また、図１１（ａ）,（ｂ）に示すように、第２光検出部９３として、複数のダイオードＰＤ１ａ〜ＰＤ１ｃを設けるようにしてもよい。この場合、これらのダイオードＰＤ１ａ〜ＰＤ１ｃの受光面９５ａ〜９５ｃを、低速走査素子７１における共振による走査速度の変動の周期を検出可能となるような間隔及び位置で、低速走査方向Ｙ方向に並べるようにする。また、各受光面９５ａ〜９５ｃは、低速走査方向Ｙの位置に応じて高速走査方向Ｘの幅を変化させた形状とする。このようにすることで、第２光検出部９３の受光面の面積を可及的に小さくすることが可能となる。
なお、検出信号９４の信号幅を、この装置の駆動信号供給部１１などの制御全般の基準クロックである図示しないシステムクロックでカウントすることで数値化して、各走査線における低速走査方向Ｙの位置（一周期分の差幅Ｖに対応するもの）としてもよい。
また、前記周期的な変動が無い場合の理想的な位置（速度）を基準テーブルとして記憶しておき、実際に検出した位置（速度）と差分を取るなどの比較、分析をし、前記周期的な変動成分の周波数（周期）やタイミングを検出するようにしてもよい。

［４．共振成分の重畳による光量むらの補正]
駆動信号供給部１１は、低速走査駆動信号生成部１３により検出した低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動に基づいて、光源部２０から出射されるレーザ光の強度を補正するようにしている。

共振により低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動があるときに、全体に亘って光量が均一である画像を表示しようとすると、図１９に示すように、走査線の間隔が狭い領域では明るく見え、逆に走査線の間隔が広い領域では暗く見える。なお、図中ではその場合の明暗を強調して示しており、実際は、これほど極端な明暗があらわれることはまずないが、利用者が表示画像の品質劣化として視認できる程度にあらわれることは多い。

そこで、駆動信号供給部１１は、走査線の間隔が狭い領域では電圧値が小さくなるように補正した駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂを出力し、走査線の間隔が広い領域では電圧値が大きくなるように補正した駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂを出力する。

具体的には、駆動信号供給部１１は、図１２に示すように、検出した差幅Ｖが基準差幅Ｖsよりも大きいときにはその大きさに応じて大きくなる補正値βを乗算することで補正した駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂを生成して出力する。例えば、差幅Ｖが１．２×Ｖｓ（基準差幅Ｖｓの１．２倍）の場合には、補正値βを１．２として、元々出力しようとしていた駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの電圧を１．２倍に上昇させて出力する。

また、検出した差幅Ｖが基準差幅Ｖsよりも小さいときにはその大きさに応じて小さくなる補正値βを乗算することで補正した駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂを生成して出力する。例えば、差幅Ｖが０．８×Ｖｓ（基準差幅Ｖｓの０．８倍）の場合には、補正値βを０．８として、元々出力しようとしていた駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの電圧を０．８倍に低減させて出力する。

なお、検出した差幅Ｖが基準差幅Ｖsであるときには、補正せずにそのまま駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂを出力する。

このように、駆動信号供給部１１は、低速走査駆動信号生成部１３により検出した低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動に基づいて、駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの電圧を補正することで、光源部２０から出射されるレーザ光の強度を補正するようにしている。このようにすることで、低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動がある場合であっても光量むらの発生を抑制して、画像品質の劣化を防止することができる。

なお、上述においては、検出した差幅Ｖが基準差幅Ｖsより大きいか小さいかで、駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの電圧を上昇させるのか低減させるのかを決定したが、駆動信号１５ｒ，１５ｇ，１５ｂの電圧の上昇又は低減のいずれか一方の補正を行うようにしてもよい。

［５．共振成分の重畳による光量むらのその他の補正方法]
上述における光量むらの補正方法では、走査速度の周期的な変動に基づいて、光源部２０から出射されるレーザ光の強度を補正するようにしているが、低速走査駆動信号１７を補正するようにしてもよい。

すなわち、低速走査駆動信号生成部１３において、走査速度の周期的な変動に応じた波形Ｕ２（以下、補正波形Ｕ２という）の信号を生成し、この補正波形Ｕ２を鋸波形状の基本波形Ｕ１に重畳することで、低速走査駆動信号１７を生成するようにする。

補正波形Ｕ２は、図１３に示すように、走査線の間隔が狭い領域では電圧値がプラスでかつ走査線の間隔に応じた大きさとなり、走査線の間隔が広い領域では電圧値がマイナスでかつ走査線の間隔に応じた大きさとなる波形である。

この補正波形Ｕ２は、反射ミラー７２の揺動に重畳した共振成分をキャンセルするための駆動信号部分であり、この補正波形Ｕ２を基本波形Ｕ１に重畳することで、低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動がある場合であっても光量むらの発生を抑制して、画像品質の劣化を防止することができる。

なお、低速走査駆動信号生成部１３において、低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出しないときには、補正波形Ｕ２は生成されず、鋸波形状の基本波形Ｕ１となる低速走査駆動信号１７が生成されて出力されることになる。

［６．変形例]
上述においては、第１光検出部９０から出力された検出信号９１に基づいて、高速走査素子６１の走査位置が所定の走査位置になるタイミングを検出し、第２光検出部９３から出力された検出信号９４に基づいて、反射ミラー７２の揺動への共振成分の重畳状態を検出している。そのため、上述したＲＳＤ１では、２つの光検出部（第１光検出部９０と第２光検出部９３）が必要となる。

しかし、第２光検出部９３に第１光検出部９０の機能を持たせることができれば、光検出部を一箇所に配置することができ、ＲＳＤ１の小型化を図ることも可能となる。

そこで、フォトダイオードＰＤ１に加え、図１４に示すように、フォトダイオードＰＤ１の受光面９５上の一部を遮光する遮光マスク９６と、フォトダイオードＰＤ２とを設ける。そして、フォトダイオードＰＤ２の受光面９７をフォトダイオードＰＤ１の受光面９５に隣接させるようにしている。

さらに、図１５に示すように、ＡＭＰ１に加え、Ｉ／Ｖ変換アンプ（電流電圧変換回路）であるＡＭＰ２を設ける。そして、ＡＭＰ２は、基準電圧を＋Ｖｃよりも高い＋Ｖｂとしており、フォトダイオードＰＤ２に電流Ｉ２が流れると、＋Ｖｂを基準として電流Ｉ２に応じた電圧を出力する。ＡＭＰ１，ＡＭＰ２の出力は、コンパレータＣＯＭＰ１に入力されて比較され２値化される。このコンパレータＣＯＭＰ１は、図１６に示すように、ＡＭＰ１の出力Ｖ１がＡＭＰ２の出力Ｖ２よりも高いときにＨｉｇｈレベルの信号を出力し、ＡＭＰ１の出力Ｖ１がＡＭＰ２の出力Ｖ２以下のときにＬｏｗレベルの信号を出力する。

第２光検出部９３を以上のように構成することで、フォトダイオードＰＤ２側からフォトダイオードＰＤ１側へレーザ光が走査されて、レーザ光の走査位置が所定位置Ｘ０になったときに立ち上がる検出信号９４’を出力する。高速走査駆動信号生成部１２は、この検出信号９４’を入力することにより、走査部５０の走査位置が所定位置Ｘ０になったタイミングを精度良く検出することができる。

すなわち、高速走査駆動信号生成部１２において、高速走査素子６１によりレーザ光が高速走査方向Ｘの所定位置Ｘ０となったタイミングを精度良く検出することができ、駆動信号供給部１１は、高速走査駆動信号生成部１２からこのように検出したタイミングを取得する。そして、駆動信号供給部１１は、このように検出したタイミングに基づいて、＋Ｘ１〜−Ｘ１又は−Ｘ１〜＋Ｘ１となるタイミングを判定し、画像信号Ｓの強度に応じたレーザ光を、有効走査範囲Ｘａで出射するようにしている。

また、上述と同様に、低速走査駆動信号生成部１３は、入力される検出信号９４’に基づいて、第２光検出部９３の受光面９５を繰り返し通過するレーザ光の各軌跡の低速走査方向Ｙにおける間隔に基づいて、有効走査範囲Ｙａにおける低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出する。

以上、本発明の実施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、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）画像信号Ｓに応じた強度の光束を出射する光源部２０と、光束を第１方向である高速走査方向Ｘに相対的に高速に走査する高速走査素子６１と、光束を第１方向と略直交する第２方向である低速走査方向Ｙに相対的に低速に走査する低速走査素子７１とを有し、光源部２０から出射された光束を２次元走査する走査部５０と、走査部５０で走査された光束を被投射対象に投射する投射部であるレンズ８２及びハーフミラー８と、低速走査素子７１により走査された光束が入射する第２光検出部９３を低速走査素子７１の後段に光束が所定回数以上通過するように有し、第２光検出部９３の受光面９５を繰り返し通過する光束の各軌跡の低速走査方向Ｙにおける間隔に基づいて、有効走査範囲Ｙａにおける低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出する検出部（第２光検出部９３及び低速走査駆動信号生成部１３）と、を備えているので、低速走査素子７１の反射ミラー７２の揺動に共振成分の重畳を十分に抑制することができない場合であっても、この共振成分の重畳状態を検出することができる。そのため、検出結果に応じた処理を行うことで、画像品質を向上させることが可能となる。

（２）第２光検出部９３は、受光面９５を有するフォトダイオードＰＤ１を有し、受光面９５のうち光束が実際に入射する受光面９５は、所定の形状を有し、所定の位置に配置されており、検出部は、フォトダイオードＰＤ１の出力に基づく検出信号９４により、低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出するので、一般的なフォトダイオードを用いることで、容易に第２光検出部９３を構成することができる。

（３）光束が実際に入射する受光面９５は、低速走査方向Ｙの位置に応じ高速走査方向Ｘの幅を変化させた形状とすることで、各走査線を形成するレーザ光の低速走査方向Ｙにおける通過位置に応じて第２光検出部９３から出力される検出信号９４の信号幅が変わり、この信号幅に基づいて、低速走査素子７１で走査されているレーザ光の低速走査方向Ｙの位置を検出することが可能となる。

（４）光束が実際に入射する受光面９５は、低速走査方向Ｙの長さを、少なくとも低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動動の周期を検出可能な長さとしたので、一つの受光面９５により低速走査素子７１の走査速度の変動の周期を検出することができ、光検出部の構成を簡易なものとすることが可能となる。

（５）第２光検出部９３は、受光面９５を有する第１フォトダイオードＰＤ１と、受光面９７を有する第２フォトダイオードＰＤ２とを有し、第１フォトダイオードＰＤ１と第２フォトダイオードＰＤ２とは、高速走査方向Ｘに互いに隣接するように並んで配置され、検出部は、第１フォトダイオードＰＤ１の出力に基づく検出信号９４,９４’により、低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動を検出し、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１,ＰＤ２の出力に基づく検出信号９４’により、高速走査素子６１の走査状態を検出するので、２つの光検出部の機能を一つの光検出部により実現することができるため、走査型画像表示装置の小型化を図ることが可能となる。

（６）検出部による検出結果に応じて、光源部２０から出射される光束の強度を補正する駆動信号供給部１１（制御部）を備えているので、低速走査素子７１の走査速度の周期的な変動がある場合であっても光量むらの発生を抑制して、画像品質の劣化を防止することができる。

１ ＲＳＤ（網膜走査型表示装置）
８ ハーフミラー
１１ 駆動信号供給部
２０ 光源部
５０ 走査部
６１ 高速走査素子
７１ 低速走査素子
８２ レンズ
９３ 第２光検出部
９４ 検出信号
９５ 受光面
ＰＤ１ 第１フォトダイオード（フォトダイオード）
ＰＤ２ 第２フォトダイオード
Ｘ 高速走査方向
Ｙ 低速走査方向

Claims (7)

1. 画像信号に応じた強度の光束を出射する光源部と、
   光束を第１方向に相対的に高速に走査する高速走査素子と、光束を前記第１方向と略直交する第２方向に相対的に低速に走査する低速走査素子とを有し、前記光源部から出射された光束を２次元走査する走査部と、
   前記走査部で走査された光束を被投射対象に投射する投射部と、
   前記低速走査素子により走査された光束が入射する光検出部を前記低速走査素子の後段に前記光束が所定回数以上通過するように有し、前記光検出部の受光面を繰り返し通過する光束の各軌跡の前記第２方向における間隔に基づいて、有効走査範囲における前記低速走査素子の走査速度の周期的な変動を検出する検出部と、を備えた
   ことを特徴とする走査型画像表示装置。
2. 前記光検出部は、前記受光面を有するフォトダイオードを有し、
   前記受光面のうち前記光束が実際に入射する受光面は、所定の形状を有し、所定の位置に配置されており、
   前記検出部は、前記フォトダイオードの出力に基づく信号により、前記低速走査素子の走査速度の周期的な変動を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
3. 前記光束が実際に入射する受光面は、前記第２方向の位置に応じて前記第１方向の幅を変化させた形状であることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。
4. 前記光束が実際に入射する受光面は、前記第２方向の長さを、少なくとも前記低速走査素子の前記変動の周期を検出可能な長さとした
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。
5. 前記光検出部は、前記受光面を有する第１フォトダイオードと、第２フォトダイオードとを有し、前記第１フォトダイオードと前記第２フォトダイオードとは、前記第１方向に互いに隣接するように並んで配置され、
   前記検出部は、前記第１フォトダイオードの出力に基づく第１信号により、前記低速走査素子の走査速度の周期的な変動を検出し、前記第１及び第２フォトダイオードの出力に基づく第２信号により、前記高速走査素子の走査状態を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
6. 前記検出部による検出結果に応じて、前記光源部から出射される光束の強度を補正する制御部を備えた
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。
7. 前記走査部によって走査された光束を、使用者の少なくとも一方の眼に入射して、画像を表示する網膜走査型の画像表示装置である
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。

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