JP2015022158A - 光走査装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迷光の発生を低減し、コントラストや画質を向上させる。【解決手段】光源１０１からの光束１０２は、カップリングレンズ１０３によって平行の光束に変換され、開口部１０４によって整形されて光偏向器１０５に入射する。開口部１０４と光偏向器１０５との間に、開口部１１０を配置する。開口部１１０は、開口部１０４からの回折光１０８を遮断する。光偏向器１０５へ到達するのは開口部１０４からの回折光が、開口部１１０によってさらに回折した光となる。これにより、光偏向器１０５に到達する回折光は残るが、強度は非常に小さくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置および画像表示装置に関し、例えば、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、プロンプタ等、利用者が虚像を眺めることを目的とした電子機器に好適な技術に関する。

光走査装置は従来から、光プリンタやデジタル複写機、光プロッタ等の画像形成装置に関連して広く知られているが、近年、二次元走査するミラーに多色の光束を入射させ、カラー二次元画像を得る走査型プロジェクタが広く提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特に、半導体レーザ光源は、その放出する光束の高い指向性により、高い光利用効率を得られることから上記走査型プロジェクタに適していると言われている。半導体レーザによる走査型プロジェクタは、キセノンランプのような巨大な放熱器を設けることなく、機器内で強い光を発することができ、且つ指向性の高さから小型な光学系においても明るい画像を形成することができる。したがって、様々な機器に組み込まれたプロジェクタユニットとして期待されている。

ヘッドアップディスプレイは、乗用車に組み込まれた虚像投影器である。ここでも半導体レーザ走査型プロジェクタが有効であり、様々な発明が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

一方、半導体レーザによって発生する迷光は、その指向性のために強度が高く視認されやすい。さらに、光偏向器によって偏向される画像光（動的ビーム）に対し、偏向されない迷光（静止ビーム）が発生すると、わずかであっても相対的に明るくなってしまうため視認され、画質劣化の問題となる。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、迷光の発生を低減し、コントラストや画質を向上させる光走査装置および画像表示装置を提供することにある。

本発明は、光源と、前記光源から放射される光束を後続の光学系にカップリングするカップリングレンズと、前記カップリングされた光束を制限する第１の開口部とを少なくとも含む入射光学系と、前記入射光学系から射出される光束を２次元的に偏向する光偏向器と、前記光源から光偏向器に至る光路において前記第１の開口部と前記光偏向器との間に第２の開口部を有することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、迷光の発生が低減され、コントラストや画質が向上する。

本発明の光走査装置の第１の構成例を示す。 本発明の光走査装置の第２の構成例を示す。 本発明の光走査装置の第３の構成例を示す。 本発明の開口部の形状と配置を説明する図である。 開口部の形状例を示す。 偏向反射面、開口部の寸法を説明する図である。 開口部の大きさＡ（Ｘ，Ｙ）を説明する図である。 開口部の大きさＡ（Ｘ，Ｙ）を説明する図である。 本発明の改善効果を説明する図である。 従来の光偏向器を用いた光走査装置を示す。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。

図１０は、従来の光偏向器を用いた光走査装置を示す。図１０の入射光学系において、光源１０１から放射される光束１０２は、カップリングレンズ１０３によって平行または弱発散又は弱収束の光束に変換され、開口部１０４によって整形されて光偏向器１０５に入射する。光偏向器１０５は、入射光学系から射出される光束を２次元的に偏向し、光偏向器１０５によって２次元的に偏向された反射光束１０７は、後段の図示しない光学系によって図示しない画面上を走査し、画像を形成する。

開口部１０４によって光を整形することにより回折光１０８が発生して光偏向器１０５の枠部に到達し、その結果、ゴースト光（迷光）１０９が発生する。回折光１０８は発散状態にあるため、光偏向器１０５を十分に遠ざければゴースト光１０９の強度は低減する。しかし、光走査装置の大型化を招くため、光路を延長する方法は望ましくない。

図１は、本発明の光走査装置の第１の構成例を示す。本発明では、図１の構成に加えて、開口部１０４と光偏向器１０５との間に、開口部１１０を配置している。開口部１１０によって開口部１０４からの回折光１０８はほとんど遮断される。光偏向器１０５へ到達するのは開口部１０４からの回折光が、開口部１１０によってさらに回折した光となる。これにより、光偏向器１０５に到達する回折光は残るが、強度は非常に小さくなる。

図２（ａ）は、本発明の光走査装置の第２の構成例を示す。第２の構成例では、光偏向器１０５を保持するホルダ１１２に、光偏向器１０５を封止するカバーガラス１１１を配置した例である。このカバーガラス１１１上にマスクを形成して開口部１１０とすることができる。これにより、実質的に光偏向器１０５と開口部１１０とを一体化できるため、偏向反射面１０６に対して開口部１１０の位置精度を高くすることが出来る。

開口部１１０は、できるだけ光偏向器１０５に近い位置に設けることが、迷光除去の観点から望ましい。そのため、図２（ｂ）に示すように、ホルダ１１２内部にまた、カバーガラスではなく開口部１１０を設けることもできる。このように、光偏向器の前にウインドウガラスを配置して、ガラス表面にマスキングを施す形で開口部１１０を配置することで、簡便に迷光を低減できる。また、開口部１１０を偏向反射面の近傍に配置することで、光偏向器１０５に入射する迷光（回折光）を低減することができる。開口部１１０は、偏向反射面の法線に近い側に、入射光を制限する遮光部を持たない。これにより、反射光の光路を確保することで、偏向反射面に近づけることが出来、迷光を低減できる。

図３は、本発明の光走査装置の第３の構成例を示す。第３の構成例では、カバーガラス１１１及び開口部１１０を偏向反射面１０６に対して傾けて配置（非平行）した例である。これにより、開口部１１０やカバーガラス１１１による散乱／反射成分は像面に向かわなくなるため、迷光が像面には到達しない。

図４は、本発明の開口部の形状と配置を説明する図である。効果的に回折による迷光を除去するために、開口部１１０は光偏向器（光偏向ミラー）１０５に近接して配置することが望ましいが、偏向反射される光（反射・走査光）１１３を遮ってしまわないような形状をとる必要がある。そのため、本発明では、図４に示すようにＴ字型にすることが望ましい。反射・走査光１１３により、画像表示装置の像面１１４に画像が形成（表示）される。

また、開口部１１０の形状として、図５（ａ）〜（ｄ）に示すような形態をとることが出来る。

図５（ａ）は、開口部１１０ａの形状が凹字型で回折光の一部を除去し、反射光は開口部１１０ａの上側の反射光通過部２０２を通過する。また、開口部１１０ａの凹部が入射光の通過部２０１となる。

図５（ｂ）は、開口部１１０ｂの形状が図４に示すＴ字型であり、入射光に対する開口（入射光通過部）２０１と反射光に対する開口（反射光通過部）２０２がつながった形状である。

図５（ｃ）は、開口部１１０ｃの形状が入射光に対する開口（入射光通過部）２０１と反射光に対する開口（反射光通過部）２０２が分離した形状である。

図５（ｄ）は、開口部１１０ｄの形状が図５（ｂ）の変形であり、入射光に対する開口（入射光通過部）２０１が円／楕円形である。これらの開口部１１０の形状は、光束の形状や、偏向反射面の形状に応じて適切に選ぶことができる。

図６（ａ）は、前掲した特許文献１に記載の光偏向器を示し、（ｂ）は図５（ｃ）の開口部１１０ｃを示す。図６（ａ）において、１０は光反射面を有するミラー部、２０はミラー部を揺動可能に支持する弾性支持部材、３０はミラー部１０を所望の共振周波数で回転振動する駆動梁、４０は弾性支持部材２０に応力を与えて、共振周波数を調整する周波数調整梁、５０は梁状部材に圧電部材が固着された一対の振動梁、６０は固定ベースである。

図６において、偏向反射面（ミラー部）１０のＸ（第１の走査方向）方向、Ｙ（第１の走査方向に直交する第２の走査方向）方向に沿った寸法をＭ（Ｘ）、Ｍ（Ｙ）、偏向反射面に近接し、偏向反射面を保持する枠部分のＸ方向、Ｙ方向に沿った寸法をＨ（Ｘ）、Ｈ（Ｙ）、開口部１１０ｃの入射光通過部２０１のＸ方向、Ｙ方向に沿った寸法をＡ（Ｘ）、Ａ（Ｙ）とする。

偏向反射面１０において、入射光をできるだけ大きい径で反射させることが表示画像の高解像度化に対して有利である。このことと迷光除去を両立するために、開口部１１０ｃの入射光通過部２０１の大きさＡ（Ｘ，Ｙ）は、
Ｍ（Ｘ）＜Ａ（Ｘ）＜Ｈ（Ｘ）またはＭ（Ｙ）＜Ａ（Ｙ）＜Ｈ（Ｙ）
とすることが望ましい。これにより、開口部１１０ｃによって偏向反射面を遮ることなく、また迷光も低減できる。偏向反射面を広く使うことで、像面上でのビームスポット径を小さくすることが出来る。

上記した式を適用した第１の実施例を図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）では、図５（ａ）の開口部１１０ａを用い、開口部１１０ａの遮光部材と光偏向器（ＭＥＭＳ）、入射光との位置関係を示す。尚、実際の偏向反射面は、図１０のように、入射光に対して傾斜している。

図７（ｂ）は、図７（ａ）を正面から見た図で、Ｈ（Ｘ）、Ｍ（Ｘ）、Ａ（Ｘ）の大小関係を示している。図７（ｂ）のように、Ｍ（Ｘ）＜Ａ（Ｘ）＜Ｈ（Ｘ）となるように開口部１１０ａの寸法を設定することで、迷光を効果的に低減できる（図９）。ただし、Ｍ（Ｘ，Ｙ）とＨ（Ｘ，Ｙ）の寸法差は一般的に非常に微小であるため、上記した条件式を満たすためには、開口部１１０ａの寸法精度、および配置精度が厳しくなる。

そこで、迷光の除去を確実に行うために、
Ａ（Ｘ，Ｙ）＜Ｍ（Ｘ，Ｙ）
とすることもできる（Ａ（Ｘ）＜Ｍ（Ｘ）またはＡ（Ｙ）＜Ｍ（Ｙ））。これにより、要求される寸法精度が緩和でき、且つ確実に迷光を除去することが出来る。

上記した式を適用した第２の実施例を図８（ａ），（ｂ）に示す。図８（ａ）は、開口部１１０ａの遮光部材と光偏向器（ＭＥＭＳ）、入射光との位置関係を示す。尚、実際の偏向反射面は、図１０のように、入射光に対して傾斜している。図８（ｂ）は、図８（ａ）を正面から見た図で、Ｈ（Ｘ）、Ｍ（Ｘ）、Ａ（Ｘ）の大小関係を示している。図８（ｂ）のように、Ａ（Ｘ）＜Ｍ（Ｘ）となるように開口部１１０ａの寸法を設定することで、迷光を効果的に低減できる（図９）。

本発明の改善効果を、図９を用いて説明する。図９（ａ）は、本発明を実施していない比較例である。点線で示した画面範囲内において、左側に２つの四角を表示している。このとき、画面中央部には縦長帯状の意図しない像が表示されてしまい、画像不良となっている。これは、上記２つの四角を表示するために用いる光の一部が反射され、迷光になることにより発生しているものである。

一方、本発明（図５（ａ）の形状の開口部１１０ａ）を実施した場合の画面を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）では、迷光による画像不良の明るさが大幅に低減していることがわかる。

以上説明したように、本発明では、光偏向器及びその周辺部へ光が到達することにより画面上に発生するゴースト光（迷光）を除去する。光束を開口部１０４で制限すると、回折光１０８が発生し、本来用いるべき光束に近い位置でわずかに角度を異ならせて進行する。回折光１０８が光偏向器１０５の光偏向ミラー以外の部分に反射することにより発生する迷光１０９は、偏向されず直接的に画面に到達する恐れがある。本発明では、この回折光１０８の効果的な除去のために、光偏向器１０５により近い位置で、開口部１０４とは別の開口部１１０を配置する。

１０１ 光源
１０２ 光束
１０３ カップリングレンズ
１０４、１１０ 開口部
１０５ 光偏向器
１０６ 偏向反射面
１０７ 反射光束
１０８ 回折光
１０９ ゴースト光（迷光）

特開２０１２−５８５２７号公報 特開２０１０−１４５７４６号公報

Claims (9)

1. 光源と、前記光源から放射される光束を後続の光学系にカップリングするカップリングレンズと、前記カップリングされた光束を制限する第１の開口部とを少なくとも含む入射光学系と、前記入射光学系から射出される光束を２次元的に偏向する光偏向器と、前記光源から光偏向器に至る光路において前記第１の開口部と前記光偏向器との間に第２の開口部を有することを特徴とする光走査装置。
2. 前記光偏向器を封止する透明部材を有し、前記第２の開口部は前記透明部材の近傍に配置されることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. 前記第２の開口部が入射光に対して向ける面は、前記光偏向器の偏向反射面に対して非平行であることを特徴とする請求項２記載の光走査装置。
4. 前記第２の開口部は、前記光偏向器の偏向反射面による反射光の近傍に配置されることを特徴とする請求項１、２または３記載の光走査装置。
5. 前記第２の開口部は、前記偏向反射面の法線に近い側に、前記入射光を制限する遮光部を持たないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光走査装置。
6. 前記第２の開口部は、前記偏向反射面への入射光と、前記偏向反射面に反射され走査される走査光とを共に通過させる形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置。
7. 前記第２の開口部は、第１の走査方向Ｘと前記第１の走査方向に直交する第２の走査方向Ｙの少なくとも一方において、前記偏向反射面のＸ方向、Ｙ方向に沿った寸法をＭ（Ｘ）、Ｍ（Ｙ）、前記偏向反射面に近接し、前記偏向反射面を保持する枠部分のＸ方向、Ｙ方向に沿った寸法をＨ（Ｘ）、Ｈ（Ｙ）、前記第２の開口部のＸ方向、Ｙ方向に沿った寸法をＡ（Ｘ）、Ａ（Ｙ）とするとき、
   Ｍ（Ｘ）＜Ａ（Ｘ）＜Ｈ（Ｘ）またはＭ（Ｙ）＜Ａ（Ｙ）＜Ｈ（Ｙ）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光走査装置。
8. 前記第２の開口部は、前記第１の走査方向Ｘと前記第１の走査方向に直交する第２の走査方向Ｙの少なくとも一方において、前記偏向反射面のＸ方向、Ｙ方向に沿った寸法をＭ（Ｘ）、Ｍ（Ｙ）、前記第２の開口部のＸ方向、Ｙ方向に沿った寸法をＡ（Ｘ）、Ａ（Ｙ）とするとき、
   Ａ（Ｘ）＜Ｍ（Ｘ）またはＡ（Ｙ）＜Ｍ（Ｙ）
   であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光走査装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光走査装置を備えることを特徴とする画像表示装置。