JP2012145753A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーを高精度に駆動でき、高精細の画像を表示できる画像表示装置を提供する。
【解決手段】ミラー２１０は、ホルダ２５０とカバー２５１により気密状態に保持されているので、空気抵抗が大きく、ミラー面積が大きいことも相まって、リンギングを抑制して精度良い低周波の非共振駆動を行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばレーザビーム等を走査して画像を表示する画像表示装置に関するものである。

レーザ光等の光線を偏光・走査する光走査装置は、画像投影装置やレーザプリンタ等の光学機器に利用されている。この光走査装置については、多角柱ミラーをモータで回転させて反射光を走査するポリゴンミラーや、平面ミラーを電磁アクチュエータによって回転振動させるガルバノミラー等を有するものがある。しかし、このような光走査装置においては、ミラーやモータを電磁アクチュエータで駆動する機械的な駆動機構が必要となるが、その駆動機構はサイズが比較的大きく、また高価であることから、光走査装置の小型化を阻害するとともに高価格化を招くといった問題がある。

そこで、光走査装置の小型化、低価格化及び生産性の向上を図るために、半導体製造技術を応用したシリコンやガラスを微細加工するマイクロマシニング技術を用いてミラーや弾性梁等の構成部品が一体成形されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の光走査装置（いわゆる、ＭＥＭＳミラー）の開発が進んでいる。

このようなＭＥＭＳミラーを用いた１次元走査の光走査装置を２組配置し、各々のミラーで反射される光線をそれぞれ水平走査、垂直走査することにより、投影面に２次元画像を表示させる画像投影装置が開発されている。また、水平走査及び垂直走査ができる２次元走査の光走査装置を用いれば、単体でラスター走査（水平走査及び垂直走査）でき、小型化及び低価格化に繋がる。

例えば特許文献１には、ＭＥＭＳミラーを走査することで画像を表示できる装置が開示されている。特に、特許文献１では、ＭＥＭＳミラーに対向して、閉管型の流路を設けることで、ダンピングを抑えて、高い周波数かつ大きい振幅でミラーを駆動できるようにしている。

特開２００９−１９９０５１号公報

ところで、ＭＥＭＳミラーを用いたレーザ走査式の画像表示装置では、一般に垂直走査にはノコギリ波を用いて駆動を行うが、最下部からの折り返しにおいてミラー動作にリンギングが生じる場合がある。ＭＥＭＳミラーは一種の超小型精密の板バネであり、固有振動のＱ値が非常に高く、わずかな衝撃により大きな振動が生じ、これがリンギングとなって現れ出力画像を乱す（輝度ムラ、画像歪み）要因となる。

又、水平走査は高周波の共振駆動で行われるため、高速での広い振り角を得るためにミラーの小型化ならびに抵抗成分を小さくすることが求められるのに対し、垂直駆動は低周波の非共振（DC）駆動であるため、広い振り角と高いダンピング性が求められるという実情もある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ミラーを高精度に駆動でき、高精細の画像を表示できる画像表示装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の画像表示装置は、
レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームをスクリーンの水平方向及び垂直方向に走査する走査部と、を有する画像表示装置において、
前記走査部は、前記レーザビームを反射しつつスクリーンの水平方向に走査するように傾動する第１ミラーと、前記第１ミラーを保持する第１ホルダと、前記レーザビームを反射しつつスクリーンの垂直方向に走査するように傾動する第２ミラーと、前記第２ミラーを気密的に保持する第２ホルダとを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記第２ホルダが、前記第２ミラーを気密的に保持しているので、傾動する前記第２ミラーを、前記第２ホルダ内部に密封された気体を用いてダンピングさせることで、リンギング等を生じることなく、低周波の非共振駆動を行わせることができ、また前記第２ミラーの広い振り角を阻害する恐れもない。尚、第２ホルダ内に収容される気体は空気が好ましいが、それに限られない。

請求項２に記載の画像表示装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１ミラーは、前記第１ホルダに対して大気開放状態で保持されていることを特徴とする。これにより、高周波の共振駆動で行われる前記第１ミラーの動作を阻害せず、高速での広い振り角を確保できる。特に、高周波の共振駆動である前記第１ミラーと、低周波の非共振駆動である前記第２ミラーとを別体とすることで、それぞれの特性に好適な保持状態を確保することで、適切な動作を実現できる。

請求項３に記載の画像表示装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１ホルダは、前記第１ミラーに面した通気口を有することを特徴とする。これにより、高周波の共振駆動で行われる前記第１ミラーの動作を阻害せず、高速での広い振り角を確保できる。

請求項４に記載の画像表示装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１ホルダは、前記第１ミラーを真空状態で保持することを特徴とする。これにより、高周波の共振駆動で行われる前記第１ミラーの動作を阻害することがない。

請求項５に記載の画像表示装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記第１ミラーと前記第２ミラーとは反射面の面積が異なることを特徴とする。

請求項６に記載の画像表示装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記レーザ光原側に前記第１ミラーが配置され、前記第１ミラーが反射したレーザビームを前記第２ミラーが反射することを特徴とする。これにより前記第１ミラーで反射したレーザビームを前記第２ミラーで更に反射してスクリーン上に走査できる。

請求項７に記載の画像表示装置は、請求項５に記載の発明において、前記第１ミラーの面積より、前記第２ミラーの面積が大きいことを特徴とする。これにより前記第１ミラーが傾いても、それから出射したレーザビームを前記第２ミラーで捕獲し反射できる。

請求項８に記載の画像表示装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１ミラーと前記第２ミラーは一体であって気密化された状態で保持されていることを特徴とする。これにより、前記ミラーを、前記ホルダ内部に密封された気体を用いてダンピングさせることで、リンギング等を生じることなく、低周波の非共振駆動を行わせることができ、また前記ミラーの広い振り角を阻害する恐れもない。

本発明によれば、ミラーを高精度に駆動でき、高精細の画像を表示できる画像表示装置を提供することができる。

本発明にかかる第１の実施の形態の画像表示装置を示す概略図である。 図２（ａ）は、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１を正面から見た図であり、図２（ｂ）は、（ａ）の第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１をIIB-IIB線で切断して矢印方向に見た図である。 図３（ａ）は、第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２を正面から見た図であり、図３（ｂ）は、（ａ）の第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２をIIIB-IIIB線で切断して矢印方向に見た図である。 第１ＭＥＭＳミラーの変形例を示す図である。 第１ＭＥＭＳミラーの別な変形例を示す図である。 本発明にかかる第２の実施の形態の画像表示装置１の全体構成を示すブロック図である。 画像表示装置１の斜視図である。 光スキャナ９の詳細な構成を示す平面図である。 ２次元走査ミラー１５の図８のIX-IX方向の断面図である。 ２次元走査ミラー１５を用いたレーザビームＷの偏向を行う状態を表示する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる第１の実施の形態の画像表示装置を示す概略図である。図１において、画像表示装置は、赤色のレーザビームを出射する赤色光源ＬＤｒと、赤色のレーザビームを平行ビームに変換するコリメータＣＬｒと、赤色のレーザビームを反射するミラーＭＲｒと、青色のレーザビームを出射する青色光源ＬＤｂと、青色のレーザビームを平行ビームに変換するコリメータＣＬｂと、青色のレーザビームを反射するが赤色のレーザビームは透過するダイクロミラーＭＲｂと、緑色のレーザビームを出射する緑色光源ＬＤｇと、緑色のレーザビームを平行ビームに変換するコリメータＣＬｂと、赤色のレーザビームと青色のレーザビームを反射するが緑色のレーザビームは透過するダイクロミラーＭＲｇと、ハーフミラーＨＦと、メインミラーＭＭと、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１と、第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２と、センサレンズＳＬと、検出器ＰＤとを有する。

赤色光源ＬＤｒから出射された赤色のレーザビームは、コリメータＣＬｒを通過してミラーＭＲｒで反射された後、ダイクロミラーＭＲｂを透過する。又、青色光源ＬＤｂから出射された青色のレーザビームは、コリメータＣＬｂを通過して、ダイクロミラーＭＲｂで反射される。つまり、ダイクロミラーＭＲｂから赤色のレーザビームと青色のレーザビームが出射され、ダイクロミラーＭＲｇに入射する。一方、緑色光源ＬＤｇから出射された緑色のレーザビームは、コリメータＣＬｂを通過して、更にダイクロミラーＭＲｇを通過するが、ダイクロミラーＭＲｇは赤色のレーザビームと青色のレーザビームを反射するので、各色のレーザビームは、ここで結合されて光路が一致するようになる。すなわち、ダイクロミラーＭＲｇが結合手段を構成する。

ダイクロミラーＭＲｇから出射された各色のレーザビームは、ハーフミラーＨＦで一部が反射され、残りは通過して、更にメインミラーＭＭで反射され、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１に入射する。第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１は、１軸回りに傾くように駆動される。第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１からの反射光は、次に第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２に入射する。第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２は、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１の傾動軸とは直交する軸回りに傾くように駆動される。第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２からの反射光は、スクリーンＳＣ上に照射されるが、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１を繰り返し傾動させることで、スクリーンの水平方向に往復走査され、第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２を傾動させることで、スクリーンの垂直方向に走査されることとなる。これらを組み合わせることで、ラスター走査が行われる。これにより画像が形成される。

図２（ａ）は、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１を正面から見た図であり、図２（ｂ）は、（ａ）の第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１をIIB-IIB線で切断して矢印方向に見た図である。この第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１は、シリコンなどの半導体基板１００に対して、フォトリソグラフやエッチングなどの半導体製造技術を用いて加工を施すことにより、製造されるものである。

半導体基板１００は、本例では、２枚のシリコン層の間に酸化層を挟んでなるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１００からなる。このＳＯＩ基板１００の一方のシリコン層の表面側が図２（ａ）に表されている。

ＳＯＩ基板１００における一方のシリコン層に対して、トレンチエッチングを施すことにより、図２に示されるような構造体１１０〜１４０が形成されている。図２に示されるＳＯＩ基板１００の中央部にミラー（第１ミラー）１１０が位置している。本例では、ミラー１１０は矩形板状をなしているが、円盤状でも良い。

ミラー１１０は、その反射面に金やアルミニウム等の金属薄膜による反射膜が形成されており、入射光線の反射率が高められており、基材１２０に対して、バネ部としての一対の梁部１３０を介して連結されている。この基材１２０は、ミラー１１０の周囲に位置する矩形枠状のフレーム１２１を有している。このフレーム１２１は、たとえばＳＯＩ基板１００における他方のシリコン層に対して酸化層を介して支持されており、フレーム１２１およびその支持部を含めて基材１２０が構成されている。フレーム１２１は、ホルダ１５０を介して不図示の筐体に取り付けられる。ホルダ（第１ホルダ）１５０は、図２（ｂ）に示すように、フレーム１２１との当接部以外は凹状に形成され、中央に開口１５０ａを有し、内部を大気開放状態にしている。ミラー１１０はフレーム１２１を介して宙づりになった状態であり、即ち上下面がオープンに保持されている。

また、このフレーム１２１の内周部においては、一方のシリコン層の下側に位置する酸化層は、犠牲層エッチングなどにより除去されている。つまり、フレーム１２１の内周に位置する一方のシリコン層からなる構造体は、その下の他方のシリコン層とは離間した状態となっている。

ミラー１１０は、１組の両端にて梁部１３０を介してフレーム１２１に連結され支持されている。この梁部１３０は、本実施形態では、傾動型のミラー１１０を実現するものであり、この梁部１３０の弾性力によって、図２（ａ）中の矢印Ｙ１方向に、ミラー１１０を回転振動させることができるようになっている。

また、ミラー１１０のもう１組の両端には、ミラー１１０を駆動する、すなわち回転振動させるための力として静電気力を印加するための駆動電極１４０が設けられている。本例では、駆動電極１４０は、ミラー１１０からフレーム１２１側に突出して形成された櫛歯部と、フレーム１２１からミラー１１０側に突出して形成された櫛歯部とから構成されている。

そして、駆動電極１４０は、ミラー１１０側の櫛歯部とフレーム１２１側の櫛歯部との間に電圧を印加することにより、これら両櫛歯部の間に静電気力を発生させる。そして、この静電気力の印加によって、ミラー１１０は、梁部１３０の弾性力の作用により、矢印Ｙ１方向に回転振動するようになっている。即ち、駆動電極１４０に高周波の交番電圧を印加することで、ミラー１１０はＹ１方向両方向に、高周波の共振による往復回動するようになっている。

このとき、図２（ｂ）に示すように、ミラー１１０は、ホルダ１５０に対してオープンに、即ちミラー１１０の両面が大気開放状態になるように支持されているので、空気抵抗が小さく、ミラー面積が小さいことも相まって、高周波の共振駆動を妨げることがない。尚、駆動電極１４０の代わりに、圧電素子を設けても良いし、電磁式に駆動するものでも良い。

図３（ａ）は、第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２を正面から見た図であり、図３（ｂ）は、（ａ）の第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２をIIIB-IIIB線で切断して矢印方向に見た図である。この第２ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ２も、シリコンなどの半導体基板２００に対して、フォトリソグラフやエッチングなどの半導体製造技術を用いて加工を施すことにより、製造されるものである。

半導体基板２００は、本例では、２枚のシリコン層の間に酸化層を挟んでなるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板２００からなる。このＳＯＩ基板２００の一方のシリコン層の表面側が図３（ａ）に表されている。

ＳＯＩ基板２００における一方のシリコン層に対して、トレンチエッチングを施すことにより、図３に示されるような構造体２１０〜２４０が形成されている。図３に示されるＳＯＩ基板２００の中央部にミラー（第２ミラー）２１０が位置している。本例では、ミラー２１０は矩形板状をなしているが、円盤状でも良い。

ミラー１１０より面積の大きいミラー２１０（幅Δ１＜幅Δ２）は、その反射面に金やアルミニウム等の金属薄膜による反射膜が形成されており、入射光線の反射率が高められており、基材２２０に対して、バネ部としての一対の梁部２３０を介して連結されている。この基材２２０は、ミラー２１０の周囲に位置する矩形枠状のフレーム２２１を有している。このフレーム２２１は、たとえばＳＯＩ基板２００における他方のシリコン層に対して酸化層を介して支持されており、フレーム２２１およびその支持部を含めて基材２２０が構成されている。フレーム２２１は、ホルダ２５０を介して不図示の筐体に取り付けられる。ホルダ２５０は、図３（ｂ）に示すように、フレーム１２１との当接部以外は凹状に形成されているが開口は設けられていない。又、フレーム１２１の上方は、透明なカバー２５１により覆われている。第２ホルダを構成するカバー２５１とホルダ２５０とで気密された空間内（内部は大気圧）で、ミラー２１０は宙づりになった状態で保持されている。

また、このフレーム２２１の内周部においては、一方のシリコン層の下側に位置する酸化層は、犠牲層エッチングなどにより除去されている。つまり、フレーム２２１の内周に位置する一方のシリコン層からなる構造体は、その下の他方のシリコン層とは離間した状態となっている。

ミラー２１０は、１組の両端にて梁部２３０を介してフレーム２２１に連結され支持されている。この梁部２３０は、本実施形態では、回転振動型のミラー２１０を実現するものであり、この梁部２３０の弾性力によって、図３（ａ）に示すように、矢印Ｙ１方向（図２（ａ））の傾動軸と直交する矢印Ｘ１方向に、ミラー２１０を回転振動させることができるようになっている。

また、ミラー２１０のもう１組の両端には、ミラー２１０を駆動する、すなわち回転振動させるための力として静電気力を印加するための駆動電極２４０が設けられている。本例では、駆動電極２４０は、ミラー２１０からフレーム２２１側に突出して形成された櫛歯部と、フレーム２２１からミラー２１０側に突出して形成された櫛歯部とから構成されている。

そして、駆動電極２４０は、ミラー２１０側の櫛歯部とフレーム２２１側の櫛歯部との間に電圧を印加することにより、これら両櫛歯部の間に静電気力を発生させる。そして、この静電気力の印加によって、ミラー２１０は、梁部２３０の弾性力の作用により、矢印Ｘ１方向に回転振動するようになっている。即ち、駆動電極２４０に低周波のノコギリ刃状の電圧を印加することで、ミラー２１０は、低高周波の非共振による回動を行うようになっている。

このとき、図３（ｂ）に示すように、ミラー２１０は、ホルダ２５０とカバー２５１により気密状態に保持されているので、空気抵抗が大きく、ミラー面積が大きいことも相まって、リンギングを抑制して精度良い低周波の非共振駆動を行うことができる。尚、駆動電極２４０の代わりに、圧電素子を設けても良いし、電磁式に駆動するものでも良い。

図４は、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１の変形例を示す、図２（ｂ）と同様な図である。本変形例では、ホルダ１５０’に開口を設ける代わりに、ミラー１１０の表面に対向して、大気に下方する通気口１５０ｂ’を設けている。それ以外は、上述の実施の形態と同様である。本変形例によれば、ミラー１１０の両面が、通気口１５０ｂ’を介して大気開放状態になるように支持されているので、空気抵抗が小さく、ミラー面積が小さいことも相まって、高周波の共振駆動を妨げることがない。

図５は、第１ＭＥＭＳミラーＭＥＭＳ１の別な変形例を示す、図２（ｂ）と同様な図である。本変形例では、ホルダ１５０”に開口を設けておらず、また透明なカバー１５１を設けて、ミラー１１０を大気から気密し、且つ内部を真空にしている。それ以外は、上述の実施の形態と同様である。本変形例によれば、ミラー１１０の両面が空気に接しておらず、高周波の共振駆動を妨げることがない。

図６は、本発明にかかる第２の実施の形態による画像表示装置１の全体構成を示すブロック図である。図７は、画像表示装置１の斜視図である。本実施の形態では、第１ＭＥＭＳミラーと第２ＭＥＭＳミラーとを一体化したミラー部１６を有する。画像表示装置１は、例えば光スキャナプロジェクタに搭載され、レーザ光源７（７ｒ，７ｇ，７ｂ）、コリメータＣＬ（ＣＬｒ、ＣＬｇ、ＣＬｂ）、レーザ制御部１００、ダイクロミラー８（８ｒ，８ｇ，８ｂ）、ハーフミラーＨＦ、検出器ＰＤ、光スキャナ９（走査部）、位相検出部１１０、及び同期信号出力部１２０を備えている。

レーザ制御部１００は、フレームメモリ２、画像処理用メモリ３，ラインバッファメモリ４、表示コントローラ５、変調器６（６ｒ，６ｇ，６ｂ）、ドライバ１３、及びシステムコントローラ１４を備え、レーザ光源７を制御する。

フレームメモリ２は、水平同期信号及び垂直同期信号に基づいて、主画像の画像データ（以下、「主画像データ」と表す。）を１フレーム単位で一時的に記憶する。ここで、主画像としては、例えば、映画、テレビ番組等が挙げられる。なお、主画像データは、例えばＲ，Ｇ，Ｂの色成分からなるカラーの画像データとするが、モノクロの画像データであってもよい。

画像処理用メモリ３に記憶された画像データは、表示画像の歪みを補正する処理等を施される。

ラインバッファメモリ４は、画像処理用メモリ３の第１の領域と第２の領域から交互に、水平方向の複数ライン単位で順次に出力される主画像データを記憶する。

表示コントローラ５は、水平同期信号及び垂直同期信号に基づいて、フレームメモリ２への１フレームの主画像データの書き込み制御、画像処理用メモリ３における画像処理、画像処理用メモリ３からラインバッファメモリ４への画像データの書き込み制御、及びラインバッファメモリ４から画像データを１画素単位で順次に変調器６に出力させる制御等を行う。ここで、ライバッファメモリ４に記憶された画像データは、Ｒ色成分が変調器６ｒに出力され、Ｇ色成分が変調器６ｇに出力され、Ｂ色成分が変調器６ｂに出力される。

具体的には、表示コントローラ５は、同期信号出力部１２０から垂直同期信号が入力されると、１フレーム分の主画像データをフレームメモリ２に記憶させる。また、ラインバッファメモリ４に、キャラクターメモリ３に記憶された副画像データの先頭の１ライン分を記憶させる。そして、ラインバッファメモリ４に記憶された副画像データを１画素単位で順次に変調器６に出力させる。

そして、水平同期信号が入力されると、ラインバッファメモリ４に次の１ライン分の副画像データを記憶させ、ラインバッファメモリ４から次の１ライン分の副画像データを１画素単位で順次に変調器６に出力させる。これにより、スクリーン１０に主画像データで強度が変調されたレーザビームがラスター走査され、主画像が表示されることになる。ラスター走査が画面右下まで行われれば、再びレーザビームを画面左上まで戻す。その間に、フレームバッファ２には新たな画像データが読み込まれ、上述のようにして、次の画像を表示する準備がなされる。以上を繰り返すことで、複数枚の画像を表示できる。

変調器６（６ｒ，６ｇ，６ｂ）は、それぞれラインバッファメモリ４から１画素単位で順次に出力される画像データのＲ，Ｇ，Ｂ成分を用いて、レーザ光源７ｒ，７ｇ，７ｂから射出されるＲ，Ｇ，Ｂのレーザビームの強度を変調する。

レーザ光源７ｒ，７ｇ，７ｂは、例えば、レーザダイオードにより構成され、それぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のレーザビームを射出する。コリメータＣＬｒ、ＣＬｇ、ＣＬｂは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のレーザビームを平行ビームに変換する。

ダイクロミラー８（８ｒ，８ｇ，８ｂ）は、レーザ光源７ｒ，７ｇ，７ｂから射出されたレーザビームを合波して、一本のレーザビームＷにする。検出器ＰＤは、図２に示すような検出面を有し、ハーフミラーＨＦにより反射されたレーザビームＷの一部を検出する。

光スキャナ９は、例えば２次元の光スキャナにより構成され、水平同期信号及び垂直同期信号に基づいて、レーザビームＷを２次元的に走査（ラスター走査）し、スクリーン１０に画像を表示する。スクリーン１０は、ラスター走査されるレーザビームＷが投影されて、画像を表示させる。

検出器ＰＤは、レーザ光源７ｒ，７ｇ，７ｂから射出されるレーザビームの強度を各々モニタし、モニタ信号を変調器６ｒ，６ｇ，６ｂに出力する機能も有する。なお、変調器６ｒ，６ｇ，６ｂは、このモニタ信号から、レーザビームの強度の時間平均値が既定値になるようにレーザ光源７ｒ，７ｇ，７ｂをＡＰＣ（auto power control）制御する。これにより、レーザビームの発振強度が安定化されると共に、レーザ光源７の破損が防止される。

位置検出部（ＰＲ）１２は、例えば赤外発光ダイオード等の発光素子及びフォトトランジスタ等の受光素子を含むフォトリフレクタにより構成され、発光素子から出力された光を対象物であるミラー部１６（図８参照）に当て、反射光を受光素子で検出し、ミラー部１６の水平方向及び垂直方向の傾斜角度を示す検出信号を動作状態検出部１３及び位相検出部１１０に出力する。

システムコントローラ１４は、ドライバ１３を介して光スキャナ９への駆動信号を出力すると共に、主画像を表示しない場合、画像を表示しない黒画像を表示するように表示コントローラ５に指示する。

位相検出部１１０は、位置検出部１２により検出された検出信号を用いてミラー部１６の水平方向及び垂直方向の傾斜角度を検出する。

同期信号出力部１２０は、位相検出部１１０により検出されたミラー部１６の傾斜角度に基づいて水平同期信号及び垂直同期信号を表示コントローラ５に出力する。ここで、同期信号出力部１２０は、位相検出部１１０により検出された水平方向の傾斜角度が１ラインの走査を開始する角度となった場合に水平同期信号を出力すればよい。また、同期信号出力部１２０は、位相検出部１１０により垂直方向の傾斜角度が１フレームの先頭の１ラインの走査を開始する角度となった場合に垂直同期信号を出力すればよい。

次に、光スキャナ９の動作について説明する。図８は、光スキャナ９の詳細な構成を示す平面図である。光スキャナ９は、２次元走査ミラー１５により構成され、２次元走査ミラー１５を図７の筐体ＢＸに固定する固定枠７０と、固定枠７０の内側に可動部分として枠状に形成された可動枠３０と、可動枠３０の内側に形成された方形状のミラー部１６とを備えている。尚、ミラー部１６は、透明なカバー１５１により覆われて気密状態で固定枠７０を介して筐体ＢＸ（図７）内に保持されている。カバー１５１と筐体ＢＸが、第１ホルダ及び第２ホルダを兼ねる。これによりミラー部１６を、カバー１５１と筐体ＢＸ内部に密封された気体を用いてダンピングさせることで、リンギング等を生じることなく、低周波の非共振駆動を行わせることができ、またミラー部１６の広い振り角を阻害する恐れもない。

ミラー部１６は、ミラー部１６の中心を通るＹ軸に沿って外方へ延びるトーションバー２１，２２を介して、Ｙ軸方向の両側から可動枠３０に弾性的に支持されている。また、可動枠３０は、Ｙ軸に直交し、ミラー部１６の中心を通るＸ軸近傍の端部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのそれぞれに一端が接続された曲がり梁４１，４２，４３，４４により、Ｘ軸の両側から固定枠７０に弾性的に支持されている。これらの固定枠７０、曲がり梁４１〜４４、可動枠３０、ミラー部１６、及びトーションバー２１，２２は、シリコン基板の異方性エッチングにより一体的に形成されている。

また、第１ミラー及び第２ミラーを兼ねるミラー部１６の表面には、金やアルミニウム等の金属薄膜による反射膜が形成されており、入射光線の反射率が高められている。また、曲がり梁４１，４２，４３，４４の表面には、電気−機械変換素子である圧電素子５１，５２，５３，５４が接着等により貼り付けられ、４つのユニモルフ部６１，６２，６３，６４が形成されている。曲がり梁４１〜４４は、圧電素子５１〜５４の曲げ変形により、可動枠３０にＹ軸及びＸ軸回りに独立に傾動トルクを作用させ、可動枠３０をＹ軸及びＸ軸を２軸で回動させる。

ここで、可動枠３０の回動動作について図９を用いて説明する。図９（ａ）〜（ｅ）は２次元走査ミラー１５の図８のIX-IX方向の断面図である。なお、図９（ａ）は静止時を示し、図９（ｂ）〜（ｅ）は駆動時を示している。

図９（ａ）に示すように、圧電素子５１，５２の表裏には、それぞれ上部プラス（＋）電極５１１，５２１、下部マイナス（−）電極５１２、５２２が設けられており、上部（＋）電極５１１（５２１）と下部（−）電極５１２（５２２）との間に分極反転を起こさない範囲で交流電圧を印加することで、圧電素子５１、５２を伸縮させ、ユニモルフ部６１，６２を厚み方向に変位させる。同様に、圧電素子５３，５４の表裏には、それぞれ上部（＋）電極５３１，５４１（図略）、下部（−）電極５３２，５４２（図略）が設けられている。

最初に、Ｘ軸回りの回動動作について説明する。ドライバ１３が圧電素子５１に伸びる方向の電圧を印加し、圧電素子５２に圧電素子５１と逆位相の縮む方向の電圧を印加すると、ユニモルフ部６１，６２の一端は、固定枠７０に固定・保持されているので、図９（ｂ）に示すように、ユニモルフ部６１は下方に曲がり、一方、ユニモルフ部６２は上方に曲がる。同様に、圧電素子５３，５４にも圧電素子５１，５２とそれぞれ同じ位相の電圧を印加すると、ユニモルフ部６３は下方に曲がり、一方、ユニモルフ部６４は上方に曲がる。

これにより、可動枠３０にはＸ軸を中心とした傾動トルクが作用し、可動枠３０はＸ軸を中心として矢印Ｐ方向に傾く。また、圧電素子５１〜５４に、図９（ｂ）の場合とは逆位相の電圧を印加すると、前述と同様の原理で、図９（ｃ）に示すように、可動枠３０にはＸ軸を中心とした傾動トルクが作用し、Ｘ軸を中心として矢印Ｑ方向に傾く。そして、圧電素子５１〜５４にこのような位相関係を保った交流電圧を印加すると、ユニモルフ部６１〜６４は、交流電圧に追従して上下方向の振動を繰り返し、可動枠３０にシーソー的な傾動トルクが作用され、可動枠３０はＸ軸を中心として所定変位角度まで回転振動する。

次に、Ｙ軸回りの回動動作についついて説明する。ドライバ１３が圧電素子５１，５２のいずれにも伸びる方向の電圧を印加すると、それぞれのユニモルフ部６１，６２の一端は、固定枠７０に固定・保持されているので、図９（ｄ）に示すように、いずれも下方に曲がる。一方、圧電素子５３、５４に圧電素子５１、５２と逆位相の縮む方向の電圧を印加すると、図９（ｅ）に示すように、ユニモルフ部６３、６４はいずれも上方に曲がる。これにより、可動枠３０にはＹ軸を中心とした傾動トルクが作用し、可動枠３０はＹ軸を中心として傾く。

そして、圧電素子５１〜５４にこのような位相関係を保った交流電圧を印加すると、ユニモルフ部６１〜６４は、交流電圧に追従して上下方向の振動を繰り返し、可動枠３０にシーソー的な傾動トルクが作用し、可動枠３０はＹ軸を中心として所定変位角度まで回転振動する。

このように、ドライバ１３から４つのユニモルフ部６１〜６４にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、可動枠３０によって支持されているミラー部１６のＸ軸及びＹ軸周りの傾きを任意に制御することができる。また、曲がり梁４１〜４４は、Ｙ軸及びＸ軸を挟んで対称に配置され、曲がり梁４１〜４４に設けられたそれぞれの圧電素子５１〜５４は、同じ位相あるいは互いに１８０度異なる逆位相の駆動信号で駆動されるようにしたので、可動枠３０を片振れなしにＹ軸及びＸ軸の２軸で独立して回動させることができる。

次に、２次元走査ミラー１５を用いたレーザビームＷの偏向を行う方法について、図１０を用いて説明する。レーザ光源７から射出されたレーザビームＷを２次元走査ミラー１５でラスター走査して画像を生成する。

ここで、水平方向の走査周波数は例えば３０ｋＨｚ、垂直方向の走査周波数は例えば６０Ｈｚ程度である。また、ミラー部１６の水平、垂直方向の傾斜角度はそれぞれほぼ±１０度である。また、ミラー部１６の水平走査は正弦波の駆動電圧を用いた機械共振振動を行うことから、水平方向の走査領域の左右の周辺部は水平走査速度が極端に低下する。そのため、図１０に示すように、画像表示領域１７の水平域は、走査領域１８の全てを使用せずに少し内側の領域としている。

垂直走査はノコギリ波の駆動電圧を用いて行われていることから、ミラー部１６の走査の直線性の良好な領域のみを通常の画像表示に使用するので、水平走査と同様、通常の画像表示領域１７の垂直域は、走査領域１８の全てを使用せずに少し内側の領域としている。

次に、画像表示装置１の動作について説明する。電源が投入されると、システムコントローラ１４は、表示コントローラ５に、黒画像データをラインバッファメモリ４へ出力するように指示する。

上述したように、入力される画像データに応じて、ラインバッファメモリ４への画像データが書き込まれる。

変調器６は、レーザ光源７を発振させ、ラインバッファメモリ４から画像データを１画素単位で読み出し、読み出した画像データを用いてレーザ光源７から射出されるレーザビームを変調する。

レーザ光源７から射出された３本のレーザビームはダイクロミラー８により一本のレーザビームＷに合波され、ミラー部１６に入射する。

レーザビームＷは、走査駆動されるミラー部１６によりラスター走査され、スクリーン１０上に投影され、これにより高精細な画像を形成できる。

図６に示す変調器６として、ＡＯＭ（Acoustic Optical Modulator）を採用してもよい。この場合、変調器６ｒ，６ｇ，６ｂをレーザ光源７ｒ，７ｇ，７ｂとダイクロミラー８ｒ，８ｇ，８ｂとの間に設置すればよい。

ＣＬｂ コリメータ
ＣＬｒ コリメータ
ＨＦ ハーフミラー
ＬＤｂ 青色光源
ＬＤｇ 緑色光源
ＬＤｒ 赤色光源
ＭＥＭＳ ＭＥＭＳミラー
ＭＭ メインミラー
ＭＲｂ ダイクロミラー
ＭＲｇ ダイクロミラー
ＭＲｒ ミラー
ＰＤ 検出器
ＳＬ センサレンズ
２ フレームメモリ
３ 画像処理用メモリ
４ ラインバッファメモリ
６，６ｒ，６ｇ，６ｂ 変調器
７，７ｒ，７ｇ，７ｂ レーザ光源
８，８ｒ，８ｇ，８ｂ ダイクロミラー
９ 光スキャナ
１０ スクリーン
１４ システムコントローラ
１５ ２次元走査ミラー
１６ ミラー部
１７ 画像表示領域
１８ 走査領域
１００ レーザ制御部
１２０ 同期信号出力部

Claims (8)

1. レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームをスクリーンの水平方向及び垂直方向に走査する走査部と、を有する画像表示装置において、
   前記走査部は、前記レーザビームを反射しつつスクリーンの水平方向に走査するように傾動する第１ミラーと、前記第１ミラーを保持する第１ホルダと、前記レーザビームを反射しつつスクリーンの垂直方向に走査するように傾動する第２ミラーと、前記第２ミラーを気密的に保持する第２ホルダとを有することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第１ミラーは、前記第１ホルダに対して大気開放状態で保持されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１ホルダは、前記第１ミラーに面した通気口を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記第１ホルダは、前記第１ミラーを真空状態で保持することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記第１ミラーと前記第２ミラーとは反射面の面積が異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の画像表示装置。
6. 前記レーザ光原側に前記第１ミラーが配置され、前記第１ミラーが反射したレーザビームを前記第２ミラーが反射することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の画像表示装置。
7. 前記第１ミラーの面積より、前記第２ミラーの面積が大きいことを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
8. 前記第１ミラーと前記第２ミラーは一体であって気密化された状態で保持されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

Images