JP2012078392A - 走査型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像非表示状態において、共振型偏向素子の共振周波数追従制御や駆動電圧による振幅制御にかかる消費電力を抑えることができる走査型画像表示装置を提供する。
【解決手段】光束を出射する光源部と、共振型偏向素子を備えた走査部と、共振型偏向素子の偏向面の揺動状態を検出する揺動状態検出部と、駆動信号の周波数を制御する駆動周波数制御部と、駆動信号の電圧を制御する振幅制御部と、を備え、画像信号の出力が停止した画像非表示状態では、駆動周波数制御部を機能させた状態で振幅制御部の機能を停止し、偏向面の揺動振幅が所定の振れ角になるまで、駆動信号の電圧を小さくすることを特徴とする走査型画像表示装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査型画像表示装置に関し、詳しくは、入射する光束を偏向する偏向面を有し、偏向面が共振により軸周りに揺動する共振型偏向素子によって光束を走査する走査型画像表示装置に関する。

従来、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、入射する光束を偏向する偏向面を有し、共振により偏向面を軸周りに揺動させることで、光源部から出射された光束を高速に走査する共振型偏向素子を具備している。つまり、共振型偏向素子固有の共振周波数で共振型偏向素子を駆動することで、共振型偏向素子の偏向面を所定の振れ角で揺動させて、光源部から出射された光束を所定走査範囲に高速走査している。また、このような共振型偏向素子を備えた走査型画像表示装置では、安定した画像を形成するために最適な共振周波数で共振型偏向素子を駆動する必要がある。

そこで、本願出願人は、光走査素子を位相同期制御することにより、光走査素子の共振周波数を高精度で調整（以下、共振周波数追従制御という）するとともに、光走査素子の駆動電圧による振幅制御を行う画像表示装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。また、共振型の振動ミラーの経時変化や温度変化などによる環境変化に応じた共振周波数の急激な変化を想定して、振動ミラーの共振周波数をずらしておく技術も提案されている（特許文献２参照）。

特開２００８−０８９９３２号公報 特開２００９−００３４５９号公報

上述した共振型偏向素子を有する走査型画像表示装置では、起動時に共振型偏向素子の偏向面が所定の振れ角で揺動するように駆動周波数や駆動電圧を調整（以下、共振周波数のサーチ制御という）している。そして、一旦起動した後は、上述した共振型偏向素子の共振周波数追従制御や駆動電圧による振幅制御を行い、共振型偏向素子の偏向面が所定の振れ角で揺動するように調整している。

ところが、上記引用文献１及び２のような従来の走査型画像表示装置では、光源部から画像信号が出射されない状態（以下、画像非表示状態、スタンバイモードという）でも、共振型偏向素子の共振周波数追従制御や駆動電圧による振幅制御を行っている。つまり、画像非表示状態では、画像信号が出射されない分省電力は図れるものの、画像信号が出射されている時（以下。画像表示状態という）と同じ共振型偏向素子の共振周波数追従制御や駆動電圧による振幅制御を行っているので電力を消費してしまう。

そこで、画像非表示状態時に共振型偏向素子の共振周波数追従制御や駆動電圧による振幅制御を停止すると、その分の消費電力を削減することはできる。しかしながら、振型偏向素子の共振周波数追従制御を停止してしまうと、画像表示状態に復帰した場合に、再度起動時と同様の共振周波数のサーチ制御を行わなければならず、画像表示状態への復帰に時間がかかってしまう。

本発明は、画像非表示状態において、共振型偏向素子の共振周波数追従制御や駆動電圧による振幅制御にかかる消費電力を抑えるとともに、画像非表示状態から画像表示状態への復帰が短時間で行える走査型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、画像信号に応じた強度の光束を出射する光源部と、前記光源部から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揺動する共振型偏向素子を備えた走査部と、前記偏向面の揺動状態を検出する揺動状態検出部と、前記共振型偏向素子の前記偏向面が共振により揺動するように駆動信号にて駆動した後、前記偏向面の揺動状態を示す信号と、前記駆動信号との位相差が所定範囲内になるように前記駆動信号の周波数を制御する駆動周波数制御部と、前記偏向面の揺動振幅を所定範囲内に維持するように、前記駆動信号の電圧を制御する振幅制御部と、を備え、前記画像信号の出力が停止した画像非表示状態では、前記駆動周波数制御部を機能させた状態で前記振幅制御部の機能を停止し、前記偏向面の揺動振幅が所定の振れ角になるまで、前記駆動信号の電圧を小さくする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、前記画像非表示状態で前記駆動信号の電圧を小さくする場合は、前記駆動周波数制御部において、前記偏向面の揺動状態を示す信号と、前記駆動信号との位相差が所定範囲内になったことを確認した後に、前記駆動信号の電圧を小さく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又は２に記載の走査型画像表示装置において、前記共振型偏向素子の特性に応じて、前記画像非表示状態の前記偏向面の揺動振幅の所定の振れ角を変更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項に記載の走査型画像表示装置において、前記画像非表示状態では、前記駆動周波数制御部を機能させた状態で前記振幅制御部の機能を停止し、前記偏向面の揺動振幅が所定の振れ角になるまで、前記駆動信号の電圧を段階的に小さくすることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の走査型画像表示装置において、前記共振型偏向素子の特性に応じて、前記画像非表示状態での前記駆動信号の電圧を段階的に小さくする電圧の幅を変更することを特徴とする。

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、前記画像非表示状態から前記画像信号が出力される画像表示状態に復帰させる場合には、前記振幅制御部を機能させて、前記偏向面の揺動状態を所定範囲内に復帰させるための前記駆動信号の電圧を、前記画像表示状態とするのに必要な電圧にすることを特徴とする。

本発明によれば、走査型画像表示装置の画像非表示状態における共振型偏向素子の共振周波数追従制御を行いながら消費電力の省電力化を図ることができ、なおかつ、画像非表示状態から画像表示状態へ短時間で復帰することができる。

本発明の一実施形態に係る走査型画像表示装置の構成の一部を示す図である。 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。 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。 共振型偏向素子の消費電力の変化を示す図である。 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走査型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走査型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。

本実施形態に係る走査型画像表示装置１は、図１に示すように、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と、さらには図示しない投影部を有している。なお、ＢＤセンサ７０は、共振型偏向素子５０の偏向面５２の揺動状態を検出する揺動状態検出部として機能する。

図１に示すように、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及び駆動電圧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、図２を用いて共振型偏向素子５０の具体的な構成の一例を示す。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。

なお、本実施形態においては、共振型偏向素子５０を薄板状のメタル基板上に形成されたＭＥＭＳとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、シリコンなどの素材を共振型偏向素子５０に用いてもよい。すなわち、所定の電圧で駆動信号Ｓｉｇ１を印加することにより、共振による揺動が発生して所定範囲の振れ角を得られるものであれば、共振型偏向素子５０として用いることができる。

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。共振型偏向素子５０では、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を上昇（以下、アップスイープという）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（以下、ダウンスイープという）させていったときの振幅特性が異なっている。図３においては、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数をダウンスイープさせたときの特性を実線で示し、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数をアップスイープさせたときの特性を破線で示す。

そして、図３に示すように、アップスイープ及びダウンスイープともに、少しの周波数の変化に応じて、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。つまり、ダウンスイープにおける駆動信号Ｓｉｇ１の共振周波数Ｆｓは、その周波数を小さくし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。

そこで、本実施形態に係る走査型画像表示装置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４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５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に変化したときでも、跳躍現象による偏向面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の駆動電圧Ｖｐによっても変化する。図６は、共振型偏向素子５０の特性を、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧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の駆動電圧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。つまり、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくすると、揺動振幅の振れ角は小さくなり、共振型偏向素子５０の共振周波数Ｆｓは高くなる。

従って、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を決定した後に、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧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の駆動電圧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、本実施形態に係る走査型画像表示装置１では、画像信号Ｓが出力されていない状態（以下、画像非表示状態という）では、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを所定の幅（例えば、１Ｖ）で段階的に小さくして省電力化を図っている。そして、段階的に小さくした駆動電圧Ｖｐに応じた偏向面５２の揺動振幅が、所定範囲内に維持するように共振周波数追従を行っている。このようにすることで、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐの変化によって、偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなる跳躍現象が発生することを抑制することができる。

本実施形態に係る走査型画像表示装置１では、画像信号Ｓが出力されている状態（以下、画像表示状態という）では、図７に示すように、駆動信号Ｓｉｇ１の信号波形と偏向面５２の揺動状態を示す信号波形との位相差が所定範囲内になるように、駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を調整する共振周波数追従を行い、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（図７（ａ）参照）し、偏向面５２の揺動振幅を所定振幅に調整した後に、位相差が所定範囲Ｚ内（図７（ｂ）参照）から外れたときには、位相差が所定範囲Ｚ内になるように駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を調整する。

偏向面５２の揺動振幅を一定に保つために駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを変更する振幅制御は、位相差が所定範囲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、共振周波数追従を、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。

このように走査型画像表示装置１が構成されているため、画像表示状態においては、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しながら走査型画像表示装置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。また、本実施形態においては、画像非表示状態においては、振幅制御の機能を停止して、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを所定の幅で段階的に小さくすることで省電力化を図っている。

上述した動作を行うために、図１に示す周波数決定部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、走査型画像表示装置１の起動時には、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、起動中には、周波数決定部１１は、駆動信号Ｓｉｇ１と共振型偏向素子５０の揺動状態を示すＢＤセンサ７０の信号との位相差を検出し、その位相差が所定範囲Ｚ内になるように駆動信号Ｓｉｇ１の周波数Ｆｏを増減する。

本実施形態における周波数決定部１１は、共振型偏向素子５０固有の共振周波数Ｆｓを検出し、駆動信号Ｓｉｇ１と共振型偏向素子５０の揺動状態との位相差が所定範囲Ｚ内になるようにする駆動周波数制御部として機能する。

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。このＢＤセンサ７０は、共振型偏向素子５０の偏向面５２の揺動状態を検出する揺動状態検出部として機能する。

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、位相差が所定範囲Ｚ内にあるか否かを判定する。なお、目標位相差記憶部２２に記憶されている所定範囲Ｚは、その所定範囲Ｚが極めて狭い場合があり、この場合は、所定範囲ではなく所定の値つまり位相差の目標値であってもよい。

周波数変更制御部２４は、位相差が所定範囲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の周波数を上げる。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の周波数を下げる。位相差判定部２１から出力される位相差が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の周波数を下げる。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の駆動電圧Ｖｐを制御するものであり、位相差が所定範囲Ｚ内となったときに動作する。
なお、上述したように、位相差の所定範囲Ｚが極めて狭い場合は、目標位相差記憶部２２の記憶する位相差の所定範囲Ｚは位相差の目標値となる。この場合は、位相差比較部２１から位相差は取得せず、位相差比較部２３の位相差の出力と目標位相差記憶部２２の記憶する位相差の目標値に応じて周波数変更部２４の周波数を変更することで、位相差が目標値に近づくよう制御してもよい。

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。なお、この振幅決定部１２は、画像表示状態において、上述した共振型偏向素子５０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを変化させる制御を行う振幅制御部として機能する。

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を動作状態にし、位相差が所定範囲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を非動作状態にする。

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Ｚ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、制御モード切換部３３ａと、画像表示状態時目標振幅記憶部３３ｂと、画像非表示状態時目標振幅記憶部３３ｃとを有している。画像表示状態時目標振幅記憶部３３ｂは、画像表示状態における目標とする偏向面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。画像非表示状態時目標振幅記憶部３３ｃは、画像非表示状態における目標とする偏向面５２の揺動振幅（以下、揺動振幅Ｘｂとする）の情報を記憶している。

制御モード切換部３３ａは、画像信号Ｓの出力状態に応じて、画像表示状態又は画像非表示状態における目標とする偏向面５２の揺動振幅の情報を切り換える制御を行う。つまり、制御モード切換部３３ａは、画像信号Ｓが出力されている場合は、画像表示状態であるとして揺動振幅Ｘａを振幅比較部３４へ出力する。一方、画像信号Ｓの出力が停止されている場合は、画像非表示状態であるとして揺動振幅Ｘｂを振幅比較部３４へ出力する。

画像表示状態では、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）の情報と、目標振幅記憶部３３の画像表示状態時目標振幅記憶部３３ｂから揺動振幅Ｘａの情報を取得する。そして、振幅比較部３４は、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Ｚ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の駆動電圧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Ｚ内にあるときには、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐの変更は行わない。

画像非表示状態では、上述した駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを変更する振幅制御は行わない。振幅比較部３４は、制御モード切換部３３ａから出力された揺動振幅Ｘｂを取得し振幅変更制御部３５に出力する。

振幅変更制御部３５は、画像非表示状態時の目標の揺動振幅Ｘｂとなるように、駆動信号生成部１３を制御して駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを変更する。なお、詳細は後述するが、振幅変更制御部３５は、画像表示状態における駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐから、所定値（例えば、１Ｖ）の幅で駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを段階的に小さくする。そして、最終的に画像非表示状態時目標振幅記憶部３３ｃに記憶された目標の揺動振幅となる駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐまで電圧を小さくする。このように駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを段階的に小さくする制御を行うことで、画像非表示状態における省電力化を図っている。

ここで、図８を用いて、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐによる消費電力の変化を説明する。なお、図８においては、駆動電圧Ｖｐが「１５Ｖ」の場合を基準として、消費電力の変化を示している。

つまり、駆動電圧Ｖｐが「１５Ｖ」の場合が、画像表示状態における駆動電圧Ｖｐであるとすると、駆動電圧Ｖｐを半分の「７．４Ｖ」にすることで、消費電力を７５％小さくすることができる。さらに、駆動電圧Ｖｐを１／３の「５Ｖ」にすることで、消費電力を８８．９％小さくすることができる。

当然のことながら、駆動電圧Ｖｐを小さくすればするほど消費電力を抑えることができる。しかし、本実施形態においては、駆動電圧Ｖｐの変更後に、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を所定範囲Ｚ内に維持するための共振周波数追従を行っている。このため、駆動電圧Ｖｐの変更は、揺動状態検出部としてのＢＤセンサ７０が、共振型偏向素子５０の偏向面５２の揺動状態を検出できる範囲の駆動電圧Ｖｐに限定される。つまり、ＢＤセンサ７０が共振型偏向素子５０の偏向面５２の揺動状態を確実に検出できる駆動電圧Ｖｐまでしか駆動電圧Ｖｐを小さくできない。

さらに、上述したように、駆動電圧Ｖｐを１／３の「５Ｖ」にすることで、消費電力を約９０％小さくすることができ、これ以上駆動電圧Ｖｐを小さくしても、効果的な省電力化は望めない。従って、本実施形態においては、画像非表示状態においては、画像表示状態（１５Ｖ）の１／３（５Ｖ）まで、駆動電圧Ｖｐを所定の幅（例えば、１Ｖ）で段階的に小さくする。すなわち、上述した画像非表示状態時目標振幅記憶部３３ｃに記憶された目標の揺動振幅Ｘｂは、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐが５Ｖ時の揺動振幅が記憶されることになる。

また、図８に示す消費電力は、共振型偏向素子５０の振幅特性や、制御回路の構成などにより変化する。そのため、画像非表示状態時目標振幅記憶部３３ｃには、共振型偏向素子５０の振幅特性や、制御回路の構成などに応じた最適な目標の揺動振幅の情報が、走査型画像表示装置１毎に記憶されている。

また、駆動電圧Ｖｐを小さくする所定の幅（例えば、１Ｖ）も、主に共振型偏向素子５０の揺動振幅の特性に応じて、偏向面５２の揺動振幅が急激に小さくなる跳躍現象を抑えることができる幅が設定される。

以上のように構成された走査型画像表示装置１における駆動制御部１０の処理において、画像信号Ｓの出力状態に応じた、共振型偏向素子５０の偏向面５２を揺動振幅させるための制御処理を、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、処理の流れを簡略化した説明図としている。

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を計測する（ステップＳ１１）。この位相差は、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）。

位相差が所定範囲Ｚ内にないときは（ステップＳ１２：Ｎｏ）、駆動制御部１０において駆動周波数変更処理が実行される（ステップＳ１３）。この駆動周波数変更処理では、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。この駆動周波数変更処理は、上述した共振周波数追従を行うための処理である。そして、この処理が終了するとステップＳ１１へ処理を移す。

一方、位相差が所定範囲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の揺動振幅を計測する（ステップＳ１４）。そして、目標振幅記憶部３３の制御モード切換部３３ａが画像非表示状態か否かを判定する（ステップＳ１５）。ここで判定される画像非表示状態は、上述したように制御モード切換部３３ａが画像信号Ｓの出力状態に応じて画像表示状態の揺動振幅Ｘａ又は画像非表示状態の揺動振幅Ｘｂの何れの揺動振幅を目標値として出力しているかを判定する。

画像非表示状態ではないとき（ステップＳ１５：Ｎｏ）、つまり、画像表示状態であるときは、画像非表示状態からの復帰直後であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。このステップＳ１６の処理では、現在の駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを取得し、画像表示状態の揺動振幅Ｘａに応じた駆動電圧Ｖｐと比較して、電圧に差があった場合は、画像非表示状態から画像表示状態への復帰直後であると判定する。そして、画像非表示状態からの復帰直後であるとき（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、振幅変更制御部３５は、画像表示状態の揺動振幅Ｘａに応じた駆動電圧Ｖｐとなるように、駆動信号生成部１３を制御して駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを変更する（ステップＳ１７）。

一方、画像非表示状態からの復帰直後ではないとき（ステップＳ１６：Ｎｏ）、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とを比較して振幅差Ｘｓを求める。そして、振幅差Ｘｓが所定範囲Ｚ内であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。そして、振幅変更制御部３５は、振幅差Ｘｓが所定範囲内ではないときには（ステップＳ１８：Ｎｏ）、振幅制御処理を行う（ステップＳ１９）。この振幅制御処理では、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の駆動電圧Ｖｐを変更する。ステップＳ１９の処理が終了したとき、又は、振幅差Ｘｓが所定範囲内であるときには（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１へ処理を戻し、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。

駆動制御部１０は、画像非表示状態であるときは（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、現在の偏向面５２の揺動振幅が、画像非表示状態の揺動振幅Ｘｂであるか否かを判定する（ステップＳ２０）。そして、画像非表示状態の揺動振幅Ｘｂであるときには（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１へ処理を戻す。

一方、画像非表示状態の揺動振幅Ｘｂではないときには（ステップＳ２０：Ｎｏ）、駆動信号生成部１３を制御して、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを段階的に所定の幅（例えば、１Ｖ）で小さく変更する（ステップＳ２１）。この処理が終了すると、ステップＳ１１へ処理を戻し、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。

以上のように、走査型画像表示装置１が構成されているため、画像表示状態においては、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しながら最適な周波数Ｆｏの駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０を駆動することができる。しかも、最適な周波数の駆動信号Ｓｉｇ１で共振型偏向素子５０を駆動したあと、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを変更して偏向面５２の揺動振幅を所定値にする。これにより、最適な駆動信号Ｓｉｇ１の共振周波数や駆動電圧Ｖｐで、共振型偏向素子５０の偏向面５２を一定の揺動振幅に維持している。

また、画像非表示状態においては、上述した振幅制御は行わず、共振周波数追従を行いながら、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくしている。しかも、所定の数値（例えば、１Ｖ）で段階的に小さくすることで、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しながら画像非表示状態における省電力化を図っている。

さらに、画像非表示状態から画像表示状態に戻す場合でも、画像非表示状態において共振周波数追従を行っているため、画像表示状態の駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐに戻すだけで、画像表示状態に復帰させることができる。つまり、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくしても駆動周波数制御である共振周波数追従を行っているため、画像表示状態に復帰させるときに、起動時の共振周波数のサーチを行う必要がなく、早く画像表示状態へ復帰させることができる。

なお、揺動状態検出部としては、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、画像表示状態又は画像非表示状態の判定を、制御モード切換部３３ａが画像信号Ｓの出力状態に応じて判定しているが、画像表示状態又は画像非表示状態の切り換えスイッチを駆動制御部１０に設けることもできる。そして、制御モード切換部３３ａは、切り換えスイッチの状態を監視することで、画像表示状態又は画像非表示状態を判定するようにしてもよい。

また、画像非表示状態においては、共振型偏向素子５０の共振周波数追従を行いながら、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを所定の数値（例えば、１Ｖ）で段階的に小さくしているが、必ずしも共振周波数追従を行う必要はない。例えば、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを所定の数値（例えば、１Ｖ）で段階的に小さくした後に、所定時間が経過すると共振型偏向素子５０の偏向面５２は、駆動電圧Ｖｐに応じた揺動振幅になる。このため、駆動電圧Ｖｐを段階的に小さくする場合に、所定時間毎に段階的に小さくすることもできる。

次に、上述してきた走査型画像表示装置１の具体例として、網膜走査型の画像表示装置（以下、ＲＳＤという）１００とした場合について、図１０を参照しながら説明する。ＲＳＤ１００は、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、投射対象である網膜に投射して画像を表示するようにしたものである。

本実施形態に係るＲＳＤ１００は、外部入力端子１０９から入力された画像信号Ｓに応じた強度の光束を出射する光源部３００と、光源部３００から入射する光束を利用者の網膜に走査して画像を形成する走査部４００とで構成されている。光源部３００は、外部入力端子１０９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て走査部４００の高速走査部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が上記走査型画像表示装置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、画像表示状態において共振型偏向素子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信号に基づき偏向面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の揺動振幅を所定範囲内に維持する（共振周波数追従）。

また、画像非表示状態においては、共振型偏向素子１５１の共振周波数追従を行いながら、高速駆動信号１１１の駆動電圧を所定の数値（例えば、１Ｖ）で段階的に小さくすることで省電力化を図っている。さらに、画像非表示状態から画像表示状態に戻す場合でも、画像非表示状態において共振型偏向素子１５１の共振周波数追従を行っているため、画像表示状態の高速駆動信号１１１の駆動電圧Ｖｐに戻すだけで、画像表示状態に早く復帰させることができる。

本発明を、上述してきた実施形態を通して説明したが、本実施形態の走査型画像表示装置１によれば、以下の効果が期待できる。

（１）本実施形態の走査型画像表示装置１は、画像信号Ｓに応じた強度の光束を出射する光源部３００と、光源部から入射する光束を偏向する偏向面５２、１５２を有し、共振により偏向面が揺動する共振型偏向素子５０、１５１を備えた走査部４００と、偏向面５２の揺動状態を検出する揺動状態検出部（ＢＤセンサ７０、１５４）と、共振型偏向素子５０の偏向面５２が共振により揺動するように駆動信号Ｓｉｇ１にて駆動した後、偏向面５２の揺動状態を示す信号と、駆動信号Ｓｉｇ１との位相差が所定範囲内になるように駆動信号Ｓｉｇ１の周波数を制御する駆動周波数制御部（周波数決定部１１）と、偏向面５２の揺動振幅を所定範囲内に維持するように、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを制御する振幅制御部（振幅決定部１２）と、を備え、画像信号Ｓの出力が停止した画像非表示状態では、駆動周波数制御部を機能させた状態で振幅制御部の機能を停止し、偏向面５２の揺動振幅が所定の振れ角になるまで、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくすることとした。このため、画像信号Ｓの出力が停止した画像非表示状態では、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくすることで省電力化を図ることができる。

（２）画像非表示状態で駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくする場合は、駆動周波数制御部（周波数決定部１１）において、偏向面５２の揺動状態を示す信号と、駆動信号Ｓｉｇ１との位相差が所定範囲内になったことを確認した後に、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくするので、共振型偏向素子５０の共振周波数追従を維持しながら、跳躍現象を避けて駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくすることができる。

（３）共振型偏向素子５０の特性に応じて、画像非表示状態の偏向面５２の揺動振幅の所定の振れ角を変更するので、省電力化を図るために共振型偏向素子５０の特性に応じた最適な駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを設定することができる。

（４）画像非表示状態では、駆動周波数制御部（周波数決定部１１）を機能させた状態で振幅制御部（振幅決定部１２）の機能を停止し、偏向面５２の揺動振幅が所定の振れ角になるまで、駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを段階的に小さくするので、共振型偏向素子５０の共振周波数の追従を維持しながら段階的に駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくして省電力化を図ることができる。

（５）共振型偏向素子５０の特性に応じて、画像非表示状態での駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを段階的に小さくする駆動電圧Ｖｐの幅を変更するので、共振型偏向素子５０の素材の特性に応じて、跳躍現象を避けながら速やかに駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを小さくすることができる。

（６）画像非表示状態から画像信号Ｓが出力される画像表示状態に復帰させる場合には、振幅制御部（振幅決定部１２）を機能させて、偏向面５２の揺動状態を所定範囲内に復帰させるための駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐを、画像表示状態とするのに必要な駆動電圧Ｖｐにするので、画像非表示状態から画像表示状態に切り換えられた場合でも、速やかに画像表示に必要な、共振型偏向素子５０の共振周波数又は駆動信号Ｓｉｇ１の駆動電圧Ｖｐに復帰させることができる。

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 走査型画像表示装置
１０ 駆動制御部
４０ 直流電圧重畳部
５０，１５１ 共振型偏向素子
５２，１５２ 偏向面
７０，１５４ ＢＤセンサ（揺動状態検出部）

Claims (6)

1. 画像信号に応じた強度の光束を出射する光源部と、
   前記光源部から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揺動する共振型偏向素子を備えた走査部と、
   前記偏向面の揺動状態を検出する揺動状態検出部と、
   前記共振型偏向素子の前記偏向面が共振により揺動するように駆動信号にて駆動した後、前記偏向面の揺動状態を示す信号と、前記駆動信号との位相差が所定範囲内になるように前記駆動信号の周波数を制御する駆動周波数制御部と、
   前記偏向面の揺動振幅を所定範囲内に維持するように、前記駆動信号の電圧を制御する振幅制御部と、を備え、
   前記画像信号の出力が停止した画像非表示状態では、前記駆動周波数制御部を機能させた状態で前記振幅制御部の機能を停止し、前記偏向面の揺動振幅が所定の振れ角になるまで、前記駆動信号の電圧を小さくすることを特徴とする走査型画像表示装置。
2. 前記画像非表示状態で前記駆動信号の電圧を小さくする場合は、前記駆動周波数制御部において、前記偏向面の揺動状態を示す信号と、前記駆動信号との位相差が所定範囲内になったことを確認した後に、前記駆動信号の電圧を小さく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. 前記共振型偏向素子の特性に応じて、前記画像非表示状態の前記偏向面の揺動振幅の所定の振れ角を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型画像表示装置。
4. 前記画像非表示状態では、前記駆動周波数制御部を機能させた状態で前記振幅制御部の機能を停止し、前記偏向面の揺動振幅が所定の振れ角になるまで、前記駆動信号の電圧を段階的に小さくする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. 前記共振型偏向素子の特性に応じて、前記画像非表示状態での前記駆動信号の電圧を段階的に小さくする電圧の幅を変更することを特徴とする請求項４に記載の走査型画像表示装置。
6. 前記画像非表示状態から前記画像信号が出力される画像表示状態に復帰させる場合には、前記振幅制御部を機能させて、前記偏向面の揺動状態を所定範囲内に復帰させるための前記駆動信号の電圧を、前記画像表示状態とするのに必要な電圧にする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。
   

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