JP2016191825A - 光走査制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な光量制御を行うことが可能な光走査制御装置を提供する。【解決手段】本光走査制御装置は、電流値に応じて出射する光量が変化するレーザと、前記レーザから出射された光を映像信号に応じて走査し、スクリーンに結像させる走査手段と、前記走査手段で走査した後の光量を検出する光量検出手段と、前記光量検出手段で検出した光量に基づいて、前記レーザの電流値を制御する制御手段と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光走査制御装置に関する。

レーザ光を走査して画像を表示する光走査制御装置が知られている。この光走査制御装置は、光源から発せられる光を光学系を介さずに直接検出する第１検出手段と、光源から発せられる光を光学系を介して検出する第２検出手段とを備えている。そして、第１検出手段と第２検出手段との検出結果の組み合わせに基づいて、異常判定等を行うことができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１１８５２号公報

しかしながら、上記の光走査制御装置では、第１検出手段と第２検出手段は、何れもレーザ光を走査する前の光量を検出しているため、レーザ光を走査するミラーの特性変動等の情報を含めた、実際にスクリーン等に表示される画像に対応した正確な光量の情報を検出できない。そのため、正確な光量制御を行うことができないという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、正確な光量制御を行うことが可能な光走査制御装置を提供することを課題とする。

本光走査制御装置（１）は、電流値に応じて出射する光量が変化するレーザ（２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ）と、前記レーザ（２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ）から出射された光を映像信号に応じて走査し、スクリーン（５０）に結像させる走査手段（３１０）と、前記走査手段（３１０）で走査した後の光量を検出する光量検出手段（６０）と、前記光量検出手段（６０）で検出した光量に基づいて、前記レーザ（２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ）の電流値を制御する制御手段（１２）と、を有することを要件とする。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

開示の技術によれば、正確な光量制御を行うことが可能な光走査制御装置を提供できる。

本実施の形態に係る光走査制御装置を例示するブロック図である。 光走査制御装置を構成する光走査部を例示する平面図である。 本実施の形態に係る光走査制御装置を例示する外観図（その１）である。 本実施の形態に係る光走査制御装置を例示する外観図（その２）である。 本実施の形態に係る光走査制御装置における光量制御のフローチャートの一例である。 レーザを発光させるタイミングについて説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

図１は、本実施の形態に係る光走査制御装置を例示するブロック図である。図２は、光走査制御装置を構成する光走査部を例示する平面図である。図３及び図４は、本実施の形態に係る光走査制御装置を例示する外観図である。

（光走査制御装置の概略構成）
まず、図１〜図４を参照して、光走査制御装置１の概略構成について説明する。光走査制御装置１は、主要な構成要素として、回路部１０と、光源部２０と、光走査部３０と、光学部４０と、スクリーン５０と、光量検出センサ６０とを有し、これらは筐体１００に格納されている。光走査制御装置１は、例えば、レーザ走査型プロジェクタである。

回路部１０は、光源部２０や光走査部３０を制御する部分であり、例えば、システムコントローラ１１やＣＰＵ（Central Processing Unit）１２、各種駆動回路等により構成することができる。

光源部２０は、ＬＤモジュール２１と、温度制御部２２と、温度センサ２３と、減光フィルタ２４とを有する。

ＬＤモジュール２１は、電流値に応じて出射する光量が変化するレーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂや、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の直近の光量をモニタする光量検出センサ２１５等を備えている。レーザ２１１Ｒは、例えば、赤色半導体レーザであり、波長λＲ（例えば、６４０ｎｍ）の光を出射することができる。レーザ２１１Ｇは、例えば、緑色半導体レーザであり、波長λＧ（例えば、５３０ｎｍ）の光を出射することができる。レーザ２１１Ｇは、例えば、青色半導体レーザであり、波長λＢ（例えば、４４５ｎｍ）の光を出射することができる。光量検出センサ２１５としては、例えば、フォトダイオード等を用いることができる。

なお、光量検出センサ２１５は、本発明に係る第２の光量検出手段の代表的な一例である。光量検出センサ２１５は、光走査部３０で走査する前の光量を検出できる任意の位置に配置することができる。

温度制御部２２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを所定の温度に制御することができる。温度センサ２３は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の温度を検出することができる。温度制御部２２としては、例えば、ペルチェ素子を用いることができる。温度センサ２３としては、例えば、サーミスタを用いることができる。

光走査部３０は、例えば、圧電素子によりミラー３１０を駆動させるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）である。ミラー３１０は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂから出射された光（合成後の光）を反射させ、映像信号に応じて入射光を水平方向及び垂直方向の２次元に走査してスクリーン５０に結像させる走査手段として機能する。

具体的には、図２に示すように、ミラー３１０は、軸を構成する捻れ梁３３１及び３３２により両側から支持されている。捻れ梁３３１及び３３２と直交する方向に、ミラー３１０を挟むように、駆動梁３５１及び３５２が対をなして設けられている。駆動梁３５１及び３５２の夫々の表面に形成された圧電素子により、捻れ梁３３１及び３３２を軸として、ミラー３１０を軸周りに揺動させることができる。ミラー３１０が捻れ梁３３１及び３３２の軸周りに揺動する方向を、以後、水平方向と呼ぶ。駆動梁３５１及び３５２による水平駆動には、例えば共振振動が用いられ、高速にミラー３１０を駆動することができる。水平変位センサ３９１は、ミラー３１０が水平方向に揺動している状態におけるミラー３１０の水平方向の傾き具合を検出するセンサである。

又、駆動梁３５１及び３５２の外側には、駆動梁３７１及び３７２が対をなして設けられている。駆動梁３７１及び３７２の夫々の表面に形成された圧電素子により、ミラー３１０を水平方向と直交する方向である垂直方向に揺動させることができる。垂直変位センサ３９５及び３９６は、ミラー３１０が垂直方向に揺動している状態におけるミラー３１０の垂直方向の傾き具合を検出するセンサである。なお、光走査部３０は、例えば、ユニット１５０（図３（ｂ）参照）において、駆動回路等と共にセラミックパッケージに搭載され、セラミックカバーに覆われている。

光学部４０は、光走査部３０に走査された光をスクリーン５０に投射するための光学系であり、例えば、図３（ｂ）等に示すように、反射ミラー４１、反射ミラー４２、反射ミラー４３、凹面ミラー４４等を含んで構成することができる。光走査部３０から光学部４０に入射した光は、凹面ミラー４４により略平行光とされてスクリーン５０に結像し、スクリーン５０に映像信号に応じた画像が描画される。スクリーン５０は、スペックルと呼ばれる粒状に見える画像のノイズを除去する機能（マイクロレンズアレイ等）を備えていることが好ましい。

光量検出センサ６０は、光走査部３０で走査した後の光量を検出できる任意の位置に配置されている。光量検出センサ６０は、光走査部３０で走査した後のレーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の光量を独立に検出可能である。光量検出センサ６０としては、例えば、１つ又は複数のフォトダイオード等を用いることができる。

（光走査制御装置の概略動作）
次に、光走査制御装置１の概略動作について説明する。システムコントローラ１１は、例えば、ミラー３１０の振れ角制御を行うことができる。システムコントローラ１１は、例えば、水平変位センサ３９１、垂直変位センサ３９５及び３９６で得られるミラー３１０の水平方向及び垂直方向の傾きをバッファ回路１３を介してモニタし、ミラー駆動回路１４に角度制御信号を供給することができる。そして、ミラー駆動回路１４は、システムコントローラ１１からの角度制御信号に基づいて、駆動梁３５１及び３５２、駆動梁３７１及び３７２に所定の駆動信号を供給し、ミラー３１０を所定角度に駆動（走査）することができる。

又、システムコントローラ１１は、例えば、ディジタルの映像信号をレーザ駆動回路１５に供給することができる。そして、レーザ駆動回路１５は、システムコントローラ１１からの映像信号に基づいて、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂに所定の電流を供給する。これにより、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂが映像信号に応じて変調された赤色、緑色、及び青色の光を発し、これらを合成することでカラーの画像を形成することができる。

ＣＰＵ１２は、例えば、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの根元の出射光量を光量検出センサ２１５の出力によりモニタし、ＬＤモジュール２１に光量制御信号を供給することができる。レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂは、ＣＰＵ１２からの光量制御信号に基づいて、所定の出力（光量）になるように電流制御される。

なお、光量検出センサ２１５は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの出射光量を独立に検出する３つのセンサを含む構成とすることができる。或いは、光量検出センサ２１５は、１つのセンサのみから構成してもよい。この場合には、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを順次発光させて、１つのセンサで順次検出することで、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの出射光量の制御が可能となる。

又、ＣＰＵ１２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの温度を温度センサ２３の出力によりモニタし、温度制御回路１６に温度制御信号を供給することができる。そして、温度制御回路１６は、ＣＰＵ１２から温度制御信号に基づいて、温度制御部２２に所定の電流を供給する。これにより、温度制御部２２が加熱又は冷却され、各レーザが所定の温度になるように制御することができる。

レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂから出射された各波長の光は、ダイクロイックミラー等により合成され、減光フィルタ２４により所定の光量に減光されてミラー３１０に入射する。ミラー３１０は、入射光を２次元に走査し、走査光は光学部４０を介してスクリーン５０に照射され、スクリーン５０に２次元像が形成される。なお、光量検出センサ６０の機能については、後述する。

（レーザの光量制御）
前述のように、各レーザの光量調整を実施するための光量検出センサ２１５はＬＤモジュール２１の中に実装されており、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの根元の出射光量を検出している。しかしながら、光走査制御装置１で実際に表示される画像はスクリーン５０に結像した光によるので、根元のレーザ光量による調整では正しい調整ができない場合がある。

例えば、光路上に減光フィルタ２４を設けているので、減光フィルタ２４の特性によっては、期待通りの減光比が得られないことから、減光フィルタ２４を通過後の光量が期待通りにならない場合がある。又、減光フィルタ２４のＲ／Ｇ／Ｂ夫々の減光比にばらつきがある場合に至っては、減光フィルタ２４を通過後のホワイトバランスが崩れてしまうおそれがある。又、温度や経年劣化により、光走査部３０の特性が変動する場合もある。このような問題は、光量検出センサ２１５により、光走査部３０を通過前の光量を如何に精密に制御しても解決することはできない。

そこで、光走査制御装置１では、光走査部３０で走査した後の光量を検出する光量検出手段として、光量検出センサ６０を設けている。光量検出センサ６０の検出結果は制御手段であるＣＰＵ１２に入力され、ＣＰＵ１２は光量検出センサ６０で検出した光量に基づいて、各レーザの電流値を制御する光量制御信号をＬＤモジュール２１に供給することができる。これにより、減光フィルタ２４や光走査部３０の特性の変動を含めたレーザ光の光量を検出できるため、スクリーン５０に実際に表示される画像に対応した正確な光量制御を行うことが可能となる。なお、光量検出センサ６０は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の光量を独立に検出可能であり、ＣＰＵ１２は、光量検出センサ６０で検出した夫々の光量に基づいて、夫々のレーザの電流値を制御すことができる。

以下、図５及び図６を参照しながら、光走査制御装置１における光量検出センサ６０を用いた光量制御について更に詳しく説明する。図５は、光量検出センサ６０を用いた光量制御のフローチャートの一例である。まず、ステップＳ５０１において、ＣＰＵ１２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂについて、現在のレーザの電流設定値と、減光フィルタ２４の設定値とに基づいて、光走査部３０を通過後の期待の光量を計算する。

次に、ステップＳ５０２において、ＣＰＵ１２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを発光させ、各レーザに対応する光量検出センサ６０の出力値を実測する。ここで、図６を参照しながら、ＣＰＵ１２が、光量検出センサ６０の出力値を実測するために、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを発光させるタイミングについて説明する。図６では、スクリーン５０に描画される画像等を模式的に示している。

図６において、グレーで示したＨｂ及びＶｂは、夫々、水平ブランキング区間及び垂直ブランキング区間である。水平ブランキング区間Ｈｂ及び垂直ブランキング区間Ｖｂは、光走査部３０により走査される領域であるが、この部分は筐体１００で遮られる。そのため、実際にスクリーン５０に描画された画像として視認できるのは、点線で囲んだ領域Ａ内のみである。

そこで、水平ブランキング区間Ｈｂ又は垂直ブランキング区間Ｖｂで、光量実測用のレーザを発光させれば、スクリーン５０に描画された画像に影響を与えることなく、光量検出センサ６０の出力値を実測することができる。

例えば、図６に示すように、下側の垂直ブランキング区間Ｖｂで、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを順次点灯させることができる。ここで、Ｌ_Ｒはレーザ２１１Ｒによる光、Ｌ_Ｇはレーザ２１１Ｇによる光、Ｌ_Ｂはレーザ２１１Ｂによる光を示している。
この場合には、光量検出センサ６０として、レーザ光Ｌ_Ｒ、レーザ光Ｌ_Ｇ、レーザ光Ｌ_Ｂの各波長に感度を有する３つのフォトダイオード等を配置しておけばよい。

或いは、光量検出センサ６０として、波長フィルタ等を備えており、レーザ光Ｌ_Ｒ、レーザ光Ｌ_Ｇ、レーザ光Ｌ_Ｂの波長を同時に検出できるフォトダイオード等を配置した場合には、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを同時に点灯させてもよい。

図５の説明に戻り、次に、ステップＳ５０３において、ＣＰＵ１２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂについて、ステップＳ５０１で計算した期待の光量とステップＳ５０２で実測した光量（光量検出センサ６０の出力値）との差異を計算する。

次に、ステップＳ５０４において、ＣＰＵ１２は、ステップＳ５０３で計算した差異がゼロとなるような、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の電流変更値を計算する。次に、ステップＳ５０５において、ＣＰＵ１２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの電流値を、ステップＳ５０４で計算した電流変更値に変更する。

これにより、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂは、光走査部３０で走査した後の光量が期待の光量と一致するように、ＣＰＵ１２により制御される。光量検出センサ６０を用いた制御を、光量検出センサ２１５を用いた制御と併用し、光量検出センサ６０で検出した光量及び光量検出センサ２１５で検出した光量に基づいて各レーザの電流値を制御することで、より精度の高い光量制御を行うことが可能である。この場合、例えば、光量検出センサ２１５の出力値と光量検出センサ６０の出力値との差分に基づいて制御することができる。

但し、光量検出センサ２１５を用いた制御は行わず、光量検出センサ６０のみを用いて制御することも可能である。この場合にも、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂ自身の温度特性や経年変化による光量の変化、減光フィルタ２４の減光比のばらつきや経年変化、減光フィルタ２４の周波数特性、温度や経年劣化による光走査部３０の特性変動を補償可能である。なお、減光フィルタ２４の周波数特性とは、Ｒ／Ｇ／Ｂ夫々の光に対する減光比の差異である。

このように、光走査制御装置１において、光走査部３０よりも後段に光量検出センサ６０を配置し、光走査部３０で走査した後の光量を一定に保つ制御を行うことにより、減光フィルタ２４や光走査部３０の特性の変動を含めたレーザ光の光量を制御できる。その結果、スクリーン５０に実際に表示される画像に必要な正しい光量制御が可能となり、より精密なカラーバランスを得ることができる。

なお、光量検出センサ６０は、光走査部３０で走査した後の光量を検出できれば何れの位置に配置しても構わない。但し、光学部４０とスクリーン５０との間（例えば、図３（ｂ）の凹面ミラー４４の後段）に配置した場合には、光学部４０を通過した後の光量を検出できるため、光学部４０に含まれる各光学デバイスの特性ばらつきも補償できる点で好適である。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の実施の形態では、本発明に係る光走査制御装置をレーザ走査型プロジェクタに適用する例を示した。しかし、これは一例であり、本発明に係る光走査制御装置は、走査後の光量を一定に制御することが好ましい様々な機器に適用可能である。このような機器としては、例えば、車載用のヘッドアップディスプレイ、レーザプリンタ、レーザ走査型脱毛器、レーザヘッドランプ、レーザーレーダ等を挙げることができる。

又、上記の実施の形態では、３つのレーザを有する例を示したが、レーザは最低１つ有していればよい。この場合、単色の光走査制御装置を実現できる。

１ 光走査制御装置
１０ 回路部
１１ システムコントローラ
１２ ＣＰＵ
１３ バッファ回路
１４ ミラー駆動回路
１５ レーザ駆動回路
１６ 温度制御回路
２０ 光源部
２１ ＬＤモジュール
２２ 温度制御部
２３ 温度センサ
２４ 減光フィルタ
３０ 光走査部
４０ 光学部
４１、４２、４３ 反射ミラー
４４ 凹面ミラー
５０ スクリーン
６０ 光量検出センサ
１００ 筐体
１５０ ユニット
２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ レーザ
２１５ 光量検出センサ
３１０ ミラー
３５１、３５２、３７１、３７２ 駆動梁
３９１ 水平変位センサ
３９５、３９６ 垂直変位センサ

Claims (8)

1. 電流値に応じて出射する光量が変化するレーザと、
   前記レーザから出射された光を映像信号に応じて走査し、スクリーンに結像させる走査手段と、
   前記走査手段で走査した後の光量を検出する光量検出手段と、
   前記光量検出手段で検出した光量に基づいて、前記レーザの電流値を制御する制御手段と、を有する光走査制御装置。
2. 前記レーザを複数有し、
   前記光量検出手段は、夫々の前記レーザが出射して前記走査手段で走査した後の夫々の光量を検出可能に構成され、
   前記制御手段は、前記光量検出手段で検出した夫々の光量に基づいて、夫々の前記レーザの電流値を制御する請求項１記載の光走査制御装置。
3. 前記レーザは、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザを含む請求項２記載の光走査制御装置。
4. 前記制御手段は、前記走査手段で走査した後の光量が期待の光量と一致するように、前記レーザの電流値を制御する請求項１乃至３の何れか一項記載の光走査制御装置。
5. 前記走査手段と前記スクリーンとの間の光路上に光学部を有し、
   前記光量検出手段は、前記光学部を通過した後の光量を検出する請求項１乃至４の何れか一項記載の光走査制御装置。
6. 前記走査手段には、減光フィルタを介した光が入射する請求項１乃至５の何れか一項記載の光走査制御装置。
7. 前記制御手段は、前記レーザの電流値を制御するために、水平ブランキング区間又は垂直ブランキング区間において、前記レーザを発光させる請求項１乃至６の何れか一項記載の光走査制御装置。
8. 前記走査手段で走査する前の光量を検出する第２の光量検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記光量検出手段で検出した光量、及び前記第２の光量検出手段で検出した光量に基づいて、前記レーザの電流値を制御する請求項１乃至７の何れか一項記載の光走査制御装置。