JP2017016006A - 光走査装置、画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形成される画像の品質を向上することができる光走査装置を提供する。
【解決手段】光を発する光源１００と、光源１００からの光を、画像形成部２０６を走査する走査光１０１と、走査光１０１の走査状態を制御する信号を生成するための制御光１０２とに分離し、走査光の進行方向と制御光の進行方向を異ならせる光分離部２０３と、反射面を揺動して画像形成部２０６を走査光１０１により光走査する光偏向器２０１と、制御光１０２を受光して信号を生成する受光素子２０５と、信号に基づいて光偏向器２０１の走査状態を制御する制御部と、を有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、光走査装置と画像表示装置に関する。

自動車や航空機、船舶などの移動体の操縦者（運転者）に対して情報を表示する画像表示装置として、生成した中間画像をウインドウスクリーンなどに投影して表示するヘッドアップディスプレイが知られている（例えば、特許文献１と特許文献２参照）。

ヘッドアップディスプレイの中間画像の投影方式のうち、レーザ走査方式は、レーザダイオードを備える光源部からのレーザビームを光偏向器のような２次元走査デバイスで走査して被走査面に中間画像を投影する。レーザ走査方式では、発光部をイメージングデバイスにより部分的に遮光して画像を形成するパネル方式とは異なり、画素ごとに発光するか否かを特定することができるため、高コントラストの画像を形成することができる。

ところで、レーザ走査方式のヘッドアップディスプレイは、視認性を向上させるため、表示される画像の背景の明るさに基づき画像の発光輝度を調整しようとすると、光源のレーザダイオードのダイナミックレンジが不足して画像の品質が低くなってしまう。

また、レーザ走査方式のヘッドアップディスプレイでは、所望の位置に画像を形成するために、レーザダイオードが発光するタイミングを制御するための信号を取得する必要がある。一般に、この信号は、レーザダイオードから出射されかつ走査された光を受光素子が受光することによって生成される。

しかしながら、上述のように被走査面を照射する光量が不足する状態になると、それに伴い受光素子が受光する光量も低くなってしまい、レーザダイオードが発光するタイミングを制御するための信号を取得できないため、画像の品質が低下してしまう。

本発明は、形成される画像の品質を向上することができる光走査装置を提供することを目的とする。

本発明は、光を発する光源と、光源からの光を、画像形成部を走査する走査光と、走査光の走査状態を制御する信号を生成するための制御光とに分離し、走査光の進行方向と制御光の進行方向を異ならせる光分離部と、反射面を揺動して画像形成部を走査光により光走査する光偏向器と、制御光を受光して信号を生成する受光素子と、信号に基づいて光偏向器の走査状態を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、形成される画像の品質を向上することができる。

本発明に係る画像表示装置の実施の形態であるヘッドアップディスプレイの例を示す構成図である。 上記ヘッドアップディスプレイのハードウェア構成の例を示すブロック図である。 上記ヘッドアップディスプレイの機能構成の例を示す機能ブロック図である。 上記ヘッドアップディスプレイの光源部の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る光走査装置の実施の形態である走査光学系をＸ軸方向から見た構成図である。 上記走査光学系をＹ軸方向から見た構成図である。 上記走査光学系の光偏向器の例を示す構成図である。 上記走査光学系のＸ軸方向の断面を示す光学配置図である。 上記走査光学系のＹ軸方向の断面を示す光学配置図である。 本発明に係る光走査装置のさらに別の実施の形態である走査光学系のＸ軸方向の断面を示す光学配置図である。 上記走査光学系のＹ軸方向の断面を示す光学配置図である。 本発明に係る光走査装置のさらに別の実施の形態である光走査装置のＸ軸方向の断面を示す光学配置図である。 上記光走査装置のＹ軸方向の断面を示す光学配置図である。 本発明に係る光走査装置のさらに別の実施の形態である光走査装置のＸ軸方向の断面を示す光学配置図である。 上記光走査装置のＹ軸方向の断面を示す光学配置図である。

以下、本発明に係る光走査装置と画像表示装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

●画像表示装置●
図１に示すように、画像表示装置であるヘッドアップディスプレイ（以下「ＨＵＤ（Head Up Display）」という。）１０００は、光源部１００と、走査光学系２００と、観察光学系３００と、を有する。

●ＨＵＤの全体構成
ＨＵＤ１０００は、自動車や航空機、船舶等の移動体に搭載される。以下、本実施の形態では、ＨＵＤ１０００が移動体の一例である自動車に装備された場合について説明する。

本実施の形態の説明に用いる３次元直交座標系は、図１に示すように、利用者１１の視野の左右方向をＸ軸方向とする。この場合、利用者１１の右方向（紙面奥方向）が＋Ｘ方向であり、利用者１１の左方向が−Ｘ方向（紙面手前方向）である。また利用者１１の視野の上下方向をＹ軸方向とする。利用者１１の上方向が＋Ｙ方向であり、利用者１１の下方向が−Ｙ方向である。また利用者１１の視野の奥行き方向、すなわち、自動車の進行方向をＺ軸方向とする。前方向が−Ｚ方向であり、後ろ方向が＋Ｚ方向である。本実施の形態の説明に用いる３次元直交座標系は、換言すれば自動車の幅方向がＸ軸方向、自動車の高さ方向がＹ軸方向、自動車の長さ方向がＺ軸方向である。

ＨＵＤ１０００は、移動体の動作や制御に関する情報などを利用者１１に対して虚像１２として表示する。フロントウインドシールド１０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材、すなわちコンバイナ３０２としても機能する。

光源部１００は、走査光学系２００と観察光学系３００とを経由して虚像１２を形成する画像表示用ビームを出射する。

走査光学系２００は、光源部１００から射出された画像表示用ビームに基づいて、走査光学系２００が自動車の動作に関連する情報を表示するための画像光を形成する。走査光学系２００において形成された画像光は、コンバイナ３０２として機能するフロントウインドシールド１０に投射される。走査光学系２００の詳細な構成は後述する。

観察光学系３００は、凹面ミラー３０１とコンバイナ３０２とを備える。観察光学系３００は、凹面ミラー３０１からコンバイナ３０２に投影される画像光により虚像１２を形成するため、虚像光学系とも称される。フロントウインドシールド１０は、平面ではない場合に、投射された画像光によって表示される虚像１２が歪む。凹面ミラー３０１は、この歪みを補正するために走査光学系２００とコンバイナ３０２との間に配置されている単一のミラーである。凹面ミラー３０１により、中間画像の水平線が上または下に凸形状になる光学歪み要素が補正される。

本実施の形態において、コンバイナ３０２には、自動車などの移動体のフロントウインドシールド１０を用いている。なお、コンバイナ３０２は、フロントウインドシールド１０の代わりに、入射された光の一部を透過させて、少なくとも一部を反射させる別体の透過反射部材（部分反射鏡）を用いてもよい。以下の説明において、観察光学系３００において画像光が投射される対象は、コンバイナ３０２またはフロントウインドシールド１０のいずれかである。

自動車の場合、一般にフロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野におけるＹＺ平面において＋Ｚ軸方向に傾斜した状態になっている。つまり、フロントウインドシールド１０は、上辺側が利用者１１側に近くなっていて下辺側が利用者１１から遠くなっている。また、フロントウインドシールド１０は、利用者１１の視野における左右方向に湾曲している。車両が右ハンドル仕様の場合に、フロントウインドシールド１０は、左から右に向かって利用者１１側に近くなるように湾曲している。

コンバイナ３０２に画像光が投射されると、利用者１１の視界には、コンバイナ３０２の物理的な位置よりも離れた位置、すなわち利用者１１から離れる側に虚像１２が現れる。虚像１２には、例えば自動車の動作に関連する情報である、自動車の速度や走行距離、行き先表示等のナビゲーション情報等が表示される。

ＨＵＤ１０００において画像光を投射するコンバイナ３０２としてフロントウインドシールド１０を利用するタイプをフロントウインドシールド投射型という。一方、ＨＵＤ１０００において、フロントウインドシールド１０とは別体の透過反射部材を配置するタイプをコンバイナ投射型という。ＨＵＤ１０００を自動車に装備する場合には、車内インテリアのデザイン性や、フロントウインドシールド１０とは別部材であるコンバイナ３０２が視界に入ることによる煩わしさ等の観点から、フロントウインドシールド投射型の方がより好適である。

コンバイナ３０２に投射される画像光である中間画像を生成する走査光学系２００は、自動車のダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。なお、利用者１１の視点は、単に基準となる視点位置、つまり基準アイポイントを示している。利用者１１の視点範囲は、自動車の運転者アイレンジ（ＪＩＳ Ｄ００２１）と同等かそれ以下である。

なお、本発明に係る画像表示装置は、観察光学系３００を有しないで、光を照射する光源部１００による画像を直接的にスクリーン上に形成するものであってもよい。

ＨＵＤ１０００における、画像光や虚像１２などの位置について説明する。ＨＵＤ１０００において、観察光学系３００を構成する凹面ミラー３０１からコンバイナ３０２へ入射される画像光の入射領域の中心を、入射領域中心３０３とする。また、ＨＵＤ１０００において、虚像１２の中心を、虚像中心３０５とする。入射領域中心３０３における接平面は、Ｘ軸方向から見て、利用者１１の視点と虚像中心３０５とを結ぶ第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また、入射領域中心３０３における接平面は、Ｙ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、第１仮想軸３０４は、入射領域中心３０３を通過する軸である。

走査光学系２００において形成される中間画像の中心、つまり後述する被走査面の中心と反射面中心３０７とを結ぶ軸を第２仮想軸３０６とする。この場合に、第２仮想軸３０６は、Ｘ軸方向から見て、第１仮想軸３０４に対して傾斜している。また、第２仮想軸３０６は、Ｙ軸方向から見ると第１仮想軸３０４に対して傾斜している。なお、本実施の形態において、被走査面の中心とは、後述する被走査面素子２０２の有効走査領域の中心を意味する。

●ハードウェア構成
図２に示すように、ＨＵＤ１０００は、ハードウェア構成として、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）６００、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０２を有する。また、ＨＵＤ１０００は、ＲＯＭ（Read Only Memory）６０４、ＲＡＭ（Random Access Memory）６０６、Ｉ／Ｆ（Interface）６０８、バスライン６１０を有する。また、ＨＵＤ１０００は、ＬＤ（Laser Diode）ドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５を有する。

ＦＰＧＡ６００は、ＬＤドライバ６１１１やＭＥＭＳコントローラ６１５を制御する。ＬＤドライバ６１１１は、ＦＰＧＡ６００による制御に基づいて、光源部１００のレーザダイオード（ＬＤ）１１１を動作させる。ＭＥＭＳコントローラ６１５は、ＦＰＧＡ６００による制御に基づいて、光偏向器２０１を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ１０００の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ１０００の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶している。ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２のワークエリアとして使用される。Ｉ／Ｆ６０８は、外部コントローラ等と通信するためのインターフェイスである。Ｉ／Ｆ６０８は、例えば、ＣＡＮ(Controller Area Network)等の移動体の内部のネットワークにＨＵＤ１０００を接続させることができる。

●機能構成
図３に示すように、ＨＵＤ１０００は、機能構成として、車両情報入力部８００、外部情報入力部８０２、画像生成部８０４、画像表示部８０６という機能ブロックを有する。車両情報入力部８００には、ＣＡＮ等から速度、走行距離等の車両の情報が入力される。外部情報入力部８０２には、外部ネットワークから例えばＧＰＳ（Global Positioning System）からの位置情報などの車両外部の情報が入力される。画像生成部８０４は、車両情報入力部８００及び外部情報入力部８０２から入力される情報に基づいて、画像を生成する制御を実行する。画像表示部８０６は、光源部１００及び走査光学系２００の動作を制御する制御部８０６０を備えている。制御部８０６０の制御により、ＨＵＤ１０００では、フロントウインドシールド１０に画像光が投射される。以上の機能ブロックの動作によって、ＨＵＤ１０００では、利用者１１の視点において虚像１２が視認できる状態になる。

●光源部
ＨＵＤ１０００が備える光源部１００について説明する。

図４に示すように、光源部１００は、カラー画像である虚像１２を形成するために用いられる画像表示用ビーム１０１を出射する。画像表示用ビーム１０１は、赤（以下「Ｒ」とも表示する。）、緑（以下「Ｇ」とも表示する。）、青（以下「Ｂ」とも表示する。）の３色のビームを１本に合成した光ビームである。

光源部１００は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色のレーザ光を出射する半導体レーザ素子である、第１レーザ素子１１０と、第２レーザ素子１２０と、第３レーザ素子１３０と、を有する。第１レーザ素子１１０は、赤色の画像を形成する赤色のレーザ光を出射する。第２レーザ素子１２０は、緑色の画像を形成する緑色のレーザ光を出射する。第３レーザ素子１３０は、青色の画像を形成する青色のレーザ光を出射する。

各レーザ素子には、端面発光レーザと呼ばれるレーザダイオード（ＬＤ）を用いることができる。また、端面発光レーザに代えて、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER））を用いることもできる。

なお、発光部として、上記のような半導体レーザ素子に代えてＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を用いてもよい。

光源部１００は、第１レーザ素子１１０から出射されたレーザ光の発散を抑える第１カップリングレンズ１１１を有する。また、光源部１００は、第２レーザ素子１２０から出射されたレーザ光の発散を抑える第２カップリングレンズ１２１を有する。また、光源部１００は、第３レーザ素子１３０から出射されたレーザ光の発散を抑える第３カップリングレンズ１３１を有する。

光源部１００は、第１カップリングレンズ１１１からのレーザ光の光束径を規制してレーザ光を整形する第１アパーチャ１１２を有する。また、光源部１００は、第２カップリングレンズ１２１からのレーザ光の光束径を規制してレーザ光を整形する第２アパーチャ１２２を有する。また、光源部１００は、第３カップリングレンズ１３１からのレーザ光の光束径を規制してレーザ光を整形する第３アパーチャ１３２を有する。

光源部１００は、整形された各色のレーザ光を合成して画像表示用ビーム１０１を出射するビーム合成プリズム１４０を有する。ビーム合成プリズム１４０は、第１アパーチャ１１２を通過した赤色のレーザ光を透過させ、第２アパーチャ１２２を通過した緑色のレーザ光を反射する第１ダイクロイック膜１４１を有する。また、ビーム合成プリズム１４０は、赤色と緑色のレーザ光を透過させ、第３アパーチャ１３２を通過した青色のレーザ光を反射する第２ダイクロイック膜１４２を有する。また、光源部１００は、ビーム合成プリズム１４０からの画像表示用ビーム１０１を導光するレンズ１５０と、を有する。

次に、以上説明した光源部１００における画像表示用ビーム１０１の生成過程について説明する。第１レーザ素子１１０から出射された赤色レーザ光は、第１カップリングレンズ１１１と第１アパーチャ１１２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した赤色レーザ光は、第１ダイクロイック膜１４１を通過して直進する。

第２レーザ素子１２０から出射された緑色レーザ光は、第２カップリングレンズ１２１と第２アパーチャ１２２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した緑色レーザ光は、第１ダイクロイック膜１４１で反射されて赤色レーザ光と同方向、つまり第２ダイクロイック膜１４２の方向へ導光される。

第３レーザ素子１３０から出射された青色レーザ光は、第３カップリングレンズ１３１と第３アパーチャ１３２を介してビーム合成プリズム１４０に入射する。ビーム合成プリズム１４０に入射した青色レーザ光は、第２ダイクロイック膜１４２において赤色レーザ光及び緑色レーザ光と同方向に反射される。

第２ダイクロイック膜１４２を通過した赤色レーザ光及び緑色レーザ光と、第２ダイクロイック膜１４２で反射された青色レーザ光は、１本のレーザ光に合成されて、画像表示用ビーム１０１としてビーム合成プリズム１４０から出射される。ビーム合成プリズム１４０から出射された画像表示用ビーム１０１は、レンズ１５０によって図１に示した走査光学系２００に導光される。

画像表示用ビーム１０１を構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザ光は、ＨＵＤ１０００の表示対象である２次元のカラー画像の画像信号に応じて、または画像情報を示す画像データに応じて強度変調されている。レーザ光の強度変調は、各色のレーザ素子を直接変調する直接変調方式でもよいし、各色のレーザ素子から出射されたレーザ光を変調する外部変調方式でもよい。すなわち、各レーザ素子は、それぞれを駆動する駆動手段によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分の画像信号により発光強度を変調された各色のレーザ光を出射する。

●走査光学系（１）●
本発明に係る光走査装置の実施の形態である、ＨＵＤ１０００が備える走査光学系２００について説明する。

図５は、走査光学系２００をＸ軸方向から見た構成図である。また、図６は、走査光学系をＹ軸方向から見た構成図である。図５，６に示すように、走査光学系２００は、光偏向器２０１と、被走査面素子２０２と、を有している。

光偏向器２０１は、光源部１００から出射された画像表示用ビーム１０１を２次元的に偏向する画像形成素子である。光偏向器２０１は、複数の方向、例えば互いに直交する２軸に揺動するように構成された微小なミラー、つまり反射面の集合体である。光偏向器２０１は、例えば半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。各微小ミラーは、互いに直交する２軸を用いて揺動するように構成されていて、微小揺動ミラー素子（ＤＭＤ：Digital Micro mirror Device, Texas Instruments社）と呼ばれる。

なお、光偏向器２０１は、上記の例に限られるものではなく、１軸に２個の微小ミラーを配置して、この１軸の周りに２個の微小ミラーが互いに直交する方向に揺動するように構成したものなどでもよい。

被走査面素子２０２は、図１に示した凹面ミラー３０１側に被走査面素子２０２の長手方向のみ、あるいは長手方向と短手方向の両方向に湾曲している。被走査面素子２０２は、微細な凸レンズを用いて構成されている。

被走査面素子２０２の微細凸レンズ構造によって、被走査面素子２０２に入射した画像表示用ビーム１０１は、観察光学系３００に向けて拡散して出射される。被走査面素子２０２で拡散された画像表示用ビーム１０１は、コンバイナ３０２によって利用者１１の視野を含む入射領域中心３０３を中心とする広い領域を照射する。ＨＵＤ１０００では、このように画像表示用ビーム１０１を、入射領域中心３０３を中心とする領域に照射することによって、利用者１１が頭を動かしても、つまり視点を動かしても、虚像１２を虚像中心３０５に表示させて確実に視認できる。

なお、被走査面素子２０２は、微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）に限ることはなく、拡散板、透過スクリーン、反射スクリーンなどを用いてもよい。本実施の形態では、マイクロレンズアレイである被走査面素子２０２は、複数のマイクロレンズが２次元配列されているものを前提としているが、これに代えて、複数のマイクロレンズを１次元配列したもの、又は３次元配列したものと用いてもよい。

画像表示用ビーム１０１は、光偏向器２０１により偏向されて平行移動しつつ被走査面素子２０２に入射する。被走査面素子２０２は、画像表示用ビーム１０１により２次元的に光走査される。被走査面素子２０２は、画像表示用ビーム１０１によって、例えば２次元の方向のうちＸ軸方向を第１方向とし、Ｘ軸方向に直交する方向であるＹ軸方向を第２方向として、第１方向と第２方向とに光走査される。Ｘ軸方向は、走査する画像の横方向に平行な方向である。また、Ｙ軸方向は、走査する画像の縦方向に平行な方向である。以下の説明において、走査する画像が、横方向の辺が長辺で縦方向の辺が短辺の長方形状を例に説明する。また、以下の説明において、Ｘ軸方向を主走査方向、Ｙ軸方向を副走査方向ともいう。ここで、走査する画像が長方形状である場合に、光偏向器２０１の偏向角は、主走査方向の偏向角は、副走査方向の偏向角より大きい。

被走査面素子２０２は、例えば、主走査方向が高速で走査され、かつ副走査方向が低速で走査される、いわゆるラスタースキャンが行われる。ＨＵＤ１０００では、この２次元走査によって、被走査面素子２０２に中間画像が形成される。ここで、被走査面素子２０２に形成される中間画像は、カラーの２次元画像である。

なお、以後の説明において、被走査面素子２０２に形成される画像は、カラー画像を前提として説明するが、被走査面素子２０２にはモノクロ画像を形成してもよい。また、被走査面素子２０２に表示される画素は、画像表示用ビーム１０１が照射されている画素のみである。したがって、上述のカラーの２次元画像は、画像表示用ビーム１０１が２次元的に走査されることにより、各瞬間に表示される画素の集合として形成される。

●光偏向器
図７に示すように、光偏向器２０１は、半導体プロセスにて製造されるＭＥＭＳミラーである微小ミラー２１０を備えている。なお、図７において、光偏向器２０１の長手方向の軸をｘ軸、短手方向の軸をｙ軸、ｘ軸とｙ軸に直行し光偏向器２０１で反射された光の進行方向をｚ軸とする。図７におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、図１において示したＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向とは異なる。

微小ミラー２１０は、その両側に複数の折り返し部を有して蛇行して形成された一対の蛇行状梁部１５２を有する。蛇行状梁部１５２は、一つおきに第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂに分けられている。なお、蛇行状梁部１５２は、枠部材１５４に支持されている。

第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂには蛇行した隣り合う梁部ごとに独立の圧電部材１５６が設けられている。圧電部材１５６は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である。これらの圧電部材１５６の一つおきに異なる電圧が印加されることで、第１梁部１５２ａと第２梁部１５２ｂに反りを発生させる。この反りによって、隣り合う梁部が異なる方向に撓み、撓みが累積されることで微小ミラー２１０がｘ軸周りに大きな角度で回転する。

以上の構成を備える光偏向器２０１を用いれば、ｘ軸を中心とした垂直方向への光走査を低い電圧で行うことができる。一方、ｙ軸を中心とした水平方向では、微小ミラー２１０に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査が行われる。

●走査光学系の構成と配置
次に、走査光学系２００の詳細な構成と光学的配置について説明する。走査光学系２００は、微小ミラー２１０を有する光偏向器２０１により光源部１００からの画像表示用ビーム１０１を２次元的に光走査して、被走査面素子２０２上の画像形成部２０６に結像させている。

図８の主走査方向、つまりＸ軸方向の断面を示す光学配置図に示すように、走査光学系２００は、走査状態を制御する信号を得るための光（以下「制御光１０２」という。）を受光する、少なくとも１つの受光素子２０５を有する。ここで、走査光学系２００の走査状態とは、例えば画像形成部２０６における画像表示用ビーム１０１の走査タイミングなどである。

走査光学系２００は、光源部１００から光偏向器２０１までの光路上に、光源部１００からの光を、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１つまり走査光と、受光素子２０５に向かう制御光１０２とに分離し、分離した画像表示用ビーム１０１（走査光）の進行方向と分離した制御光１０２の進行方向を異ならせる光束分離素子２０３を有する。画像表示用ビーム１０１と制御光１０２は、それぞれ光偏向器２０１に入射して、画像形成部２０６または受光素子２０５上に光走査される。本実施の形態に係る走査光学系２００において、制御光１０２は、光偏向器２０１を構成する多数の微小ミラー２１０の一部または全体に入射して受光素子２０５に反射される。

なお、本実施の形態において、光源部１００の構成は図２に示したものであり、本実施の形態においては説明を省略する。

本実施の形態において、走査光学系２００は、光偏向器２０１の主走査方向の偏向角の範囲外から光源部１００から出射された光が入射するように構成されている。

図９は、走査光学系２００の副走査方向、つまりＹ軸方向の断面における光学配置図を示す。光偏向器２０１は、入射された光をその光に直交する２軸方向に偏向走査する。光偏向器２０１の２軸の偏向角は、±１３ｄｅｇと±５ｄｅｇとする。本実施の形態において、ミラー面の偏向角が±１３ｄｅｇの方向を主走査方向、±５ｄｅｇの方向を副走査方向とする。

本実施の形態における偏向角とは、画像形成部２０６において画像表示用ビーム１０１により画像形成可能な角度であり、実際の光偏向器２０１の偏向角とは異なる。換言すれば、本実施の形態における偏向角とは、例えば主走査方向で走査方向が入れ替わる点同士の間の角度、つまり光偏向器２０１による走査が一旦止まる点同士の間の角度とは異なる。

光偏向器２０１により偏向された光は、主走査方向に偏向領域ω１１＝±２６ｄｅｇ（反射面の偏向角は±１３ｄｅｇ）、副走査方向に偏向領域ω１２＝±１０ｄｅｇ（反射面の偏向角は±５ｄｅｇ）で画像形成部２０６に走査されている。このとき、光源部１００から出射されて画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１は、偏向走査範囲の中心に対し、主走査方向においてβ１＝４０ｄｅｇの角度を持って光偏向器２０１に入射する。つまり、光偏向器２０１の偏向角が０ｄｅｇのとき、入射角が２０ｄｅｇで入射した画像表示用ビーム１０１が、画像形成部２０６の偏向走査範囲の中心に到達する。

画像形成部２０６は、上述のように光源部１００から出射された光が結像して中間像を形成する場所であり、微細凸レンズ構造（マイクロレンズアレイ）で形成されている。

光束分離素子２０３は、光源部１００から出射された画像表示用ビーム１０１が走査光学系２００の光偏向器２０１に到達するまでの光路上に配置されている。光束分離素子２０３は、光分離部として機能する。光束分離素子２０３は、主走査方向において画像表示用ビーム１０１を、画像形成部２０６に向かう光と、制御光１０２に分離する。光束分離素子２０３には、例えば偏光ビームスプリッタや反射型の減光（ＮＤ：Neutral Density）フィルターなどを用いることができる。画像表示用ビーム１０１から分離された制御光１０２は、反射面２０４により反射されて画像表示用ビーム１０１とは異なる入射角で光偏向器２０１に入射し、画像形成部２０６とは異なる位置に偏光走査される。このとき、画像形成部２０６に制御光１０２が入射してしまうと、ゴースト光となり画像品質を著しく低下させてしまう。

そこで、走査光学系２００では、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１の偏向領域をω１１とすると、画像表示用ビーム１０１と制御光１０２の光偏向器２０１への入射角の差α１は、光の分離方向、例えば主走査方向にω１１より大きい角度にする。本実施の形態では、ω１１＝±２６ｄｅｇ（画角＝５２ｄｅｇ）であり、α１＝５４ｄｅｇである。

光束分離素子２０３により画像表示用ビーム１０１と制御光１０２とを分離していない一般の走査光学系では、画像表示用ビームと制御光との干渉を防ぐために、受光素子と被走査面素子とが干渉しないように間隔を設ける必要がある。このため、一般の走査光学系では、被走査面素子の近傍に受光素子を配置する場合に、被走査面素子を走査する偏向角が光偏向器の最大偏向角より小さく設定せざるを得ない。この結果として、一般の走査光学系では、例えば主走査方向の１回に走査できる光量のうち、画像表示に用いることができる光量が減少、つまり光源部の光利用効率が低下してしまい、明るい画像を形成することができない。

一方、本実施の形態に係る走査光学系２００によれば、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１と受光素子２０５に向かう制御光１０２とを分離しているため、画像表示用ビーム１０１と制御光１０２の干渉を防ぐことができる。この結果、画像形成部２０６は、受光素子２０５から光源部１００の発光タイミングを考慮して配置することで成立するため、光偏向器２０１の偏向角を最大値に近づけることが可能となる。具体的には、走査光学系２００では、受光素子２０５に向けて光源部１００を発光させたときの画像表示用ビーム１０１の照射位置に合わせて画像形成部２０６の画像領域を配置させることができる。

以上のように構成されていることにより、走査光学系２００では、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１と、受光素子２０５に向かう制御光１０２が重なることがないため、画像形成部２０６に形成される画像の品質を向上させることができる。

また、本実施の形態では、光束分離素子２０３により、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１と受光素子２０５に向かう制御光１０２とを分離してそれぞれ光偏向器２０１に入射させている。このため、本実施の形態によれば、画像形成に用いるための光偏向器２０１の偏向角を大きくとることができる。

走査光学系２００によれば、光源部１００から画像形成部２０６への光量の伝達効率を向上させることができるため、画像光量のダイナミックレンジを大きくすることができる。

また、走査光学系２００では、明るい画像を形成するために、光束分離素子２０３により画像表示用ビーム１０１と制御光１０２を分離する際に、画像表示用ビーム１０１の光量を制御光１０２の光量より高く設定することが望ましい。受光素子２０５に向かう制御光１０２の光量は、受光素子２０５の感度に基づいて最低限必要な光量を確保すればよい。つまり、受光素子２０５の感度が高ければ、画像表示用ビーム１０１の光量は高くすることが可能である。

ＨＵＤ１０００では、観察光学系３００の倍率と虚像１２のサイズから中間像の大きさが決まる。つまり、走査光学系２００によれば、光偏向器２０１の偏向角を大きく設定することができるため、光偏向器２０１と画像形成部２０６との距離を近づけることができる。走査光学系２００を有するＨＵＤ１０００では、光偏向器２０１の手前に配置されるレンズ１５０の焦点距離を短く設定できるため、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）が大きく取れる。つまり、ＨＵＤ１０００では、画像形成部２０６に画像表示用ビーム１０１を結像させる際のビームスポット径を小さくすることができるため、高い品質の画像を生成することができる。

●走査光学系（２）●
本発明に係る光走査装置の別の実施の形態である、ＨＵＤ１０００が備える走査光学系について、先に説明した走査光学系２００との相違点のみ説明する。

本実施の形態に係る走査光学系は、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１と受光素子２０５に向かう制御光１０２の光量を可変する、光量可変部に相当する素子が配置されている。光量を可変可能な素子には、ＮＤフィルター、または偏光板など分離する光の光量を変化させることが可能な素子を用いることができる。ＮＤフィルターは、分離する光量が異なるものを複数準備して状況に応じて切り替えるなど、必要な光量のダイナミックレンジに合わせて設定してもよい。

以上説明した本実施の形態に係る走査光学系によれば、受光素子２０５に向かう制御光１０２の光量を変化させず、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１の光量を変化させることで、画像の明るさを変更することができる。つまり、本実施の形態に係る走査光学系によれば、受光素子２０５に向かう制御光１０２に影響を与えることなく、表示画像の光量のダイナミックレンジを変化させることができる。

●走査光学系（３）●
本発明に係る光走査装置のさらに別の実施の形態である、ＨＵＤ１０００が備える走査光学系２００Ｂについて、先に説明した走査光学系２００との相違点のみ説明する。

図１０に示すように、光源部１００から出射される画像表示用ビーム１０１は、主走査方向において、偏向走査範囲の中心に対し、角度を持たず光偏向器２０１に入射する。光偏向器２０１に入射した画像表示用ビーム１０１は、偏向領域ω２１＝±２６ｄｅｇ（画角＝５２ｄｅｇ）で入射方向と同じ方向にある画像形成部２０６に反射される。

図１１に示すように、画像表示用ビーム１０１は、副走査方向において、光偏向器２０１の偏向角の範囲外、すなわち偏向走査範囲の中心に対しβ２＝１３ｄｅｇの角度で光偏向器２０１に入射する。画像表示用ビーム１０１は、光偏向器２０１により偏向領域ω２２＝±１０ｄｅｇ（画角＝２０ｄｅｇ）の角度で画像形成部２０６に反射される。図１１を参照すれば、画像表示用ビーム１０１は、副走査方向断面において、光偏向器２０１への入射光と出射光とが、同一の主走査方向の断面内にある。

受光素子２０５に向かう制御光１０２は、光束分離素子２０３により画像表示用ビーム１０１から分離される。制御光１０２は、光束分離素子２０３により分離された後、反射面２０４で反射されて、主走査方向においてα２＝５４ｄｅｇで光偏向器２０１に入射する。

一般に、受光素子２０５に向かう制御光１０２を主走査方向で分離し、光偏向器２０１の主走査方向の偏向角の範囲外から画像表示用ビーム１０１を入射させる光学配置を採用した場合には、主走査方向に配置が大きく広がり装置の構成が大型化してしまう。また、このような光学配置を採用した場合には、光偏向器２０１に入射する光の範囲と、出射する光の範囲が広くなってしまい、装置構成を小型化するのが難しくなる。

画像表示用ビーム１０１の光偏向器２０１への入射角を小さく設定して小型化することは可能だが、光源部１００と画像形成部２０６との間の角β２は、少なくとも主走査方向の偏向角ω２２の半角よりも大きく離す必要がある。また、制御光１０２の光路上に先に説明した光量を可変可能な素子を配置する場合には、光偏向器２０１で偏向反射された光と受光素子２０５との干渉を防ぐ必要がある。この場合には、画像表示用ビーム１０１の主走査方向の光偏向器２０１への入射角を小さく設定するのは難しい。

また、光偏向器２０１の主走査方向の偏向領域の画角を小さくすることも考えられるが、画像形成部２０６の大きさを確保するためには、光偏向器２０１と画像形成部２０６との距離を大きく確保する必要が生じる。

また、光偏向器２０１に用いられるＭＥＭＳデバイスは、ミラー部がガラスで封止されている。このため、反射面に対する光の入射または出射は、ガラスを介して行われている。

本実施の形態に係る走査光学系２００Ｂでは、画像表示用ビーム１０１は、副走査方向において光偏向器２０１の偏光角の範囲外から光偏向器２０１に入射させることで、装置構成を小型化することができる。走査光学系２００Ｂでは、画像表示用ビーム１０１の主走査方向の光偏向器２０１への入射角がなくなることで、主走査方向の大きさを大幅に小型化できる。

また、走査光学系２００Ｂでは、光偏向器２０１に入射し出射される光の角度範囲の合計が、先に説明した走査光学系２００が少なくとも１７４ｄｅｇであるのに対し、１３４ｄｅｇとなるので、ＭＥＭＳデバイスの小型化にも効果がある。特に、走査光学系２００Ｂは、自動車のＨＵＤ１０００に用いる場合に、自動車のダッシュボード内にＨＵＤ１０００を速度表示などのパネルの後ろ側のスペースに配置する必要があり、小型化のメリットは大きい。

●走査光学系（４）●
本発明に係る光走査装置のさらに別の実施の形態である、ＨＵＤ１０００が備える走査光学系２００Ｃについて、先に説明した走査光学系２００，２００Ｂとの相違点のみ説明する。

図１２に示すように、光源部１００から出射される画像表示用ビーム１０１は、主走査方向において、偏向走査範囲の中心に対し、角度を持たず光偏向器２０１に入射する。光偏向器２０１に入射した画像表示用ビーム１０１は、偏向領域ω３１＝５２ｄｅｇで入射方向と同じ方向にある画像形成部２０６に反射される。

図１３に示すように、画像表示用ビーム１０１は、副走査方向において、光偏向器２０１の偏向領域の範囲外、すなわち偏向走査範囲の中心に対しβ３＝１３ｄｅｇの角度で光偏向器２０１に入射する。画像表示用ビーム１０１は、光偏向器２０１により、偏向領域ω３２＝±１０ｄｅｇ（画角＝２０ｄｅｇ）の角度で画像形成部２０６に反射される。図１３を参照すれば、画像表示用ビーム１０１は、主走査方向断面において、光偏向器２０１への入射光と出射光とが、同一の副走査方向の断面内にある。

受光素子２０５に向かう制御光１０２は、副走査方向において光束分離素子２０３により画像表示用ビーム１０１から分離される。制御光１０２は、光束分離素子２０３で分離された後、反射面２０４で反射されて、副走査方向においてα３＝２２ｄｅｇで光偏向器２０１に入射する。

走査光学系２００Ｃでは、主走査方向における偏向領域の画角＝５２ｄｅｇに対して副走査方向における偏向領域の画角＝２０ｄｅｇと非常に小さい。また、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１の副走査方向における光偏向器２０１への入射角β３＝１３ｄｅｇである。つまり、走査光学系２００Ｃでは、光偏向器２０１の副走査方向の角度が０ｄｅｇのとき、入射光から１３ｄｅｇの角度で光が反射されて到達する位置は、画像形成部２０６の副走査方向の中心位置である。

副走査方向に分離される制御光１０２は、副走査方向において、画像形成部２０６に向かう画像表示用ビーム１０１に対して少なくとも２０ｄｅｇ以上の角度差、例えばα３＝２２ｄｅｇを有する。この場合、走査光学系２００Ｃでは、光偏向器２０１に入射し出射される光の角度範囲の合計が、主走査方向において８０ｄｅｇである。

このとき、主走査方向において偏向領域の画角が５２ｄｅｇであるため、先に説明した走査光学系２００などと比較して装置構成を小型化することができる。走査光学系２００Ｃは、副走査方向において偏向領域の画角２０ｄｅｇに対し光偏向器２０１に入射し出射される光の角度範囲の合計が８２ｄｅｇとなる。ＨＵＤ１０００において、走査光学系で採用する光学配置は、先に説明した走査光学系２００などを含めて、配置スペースに応じて選択すればよい。

走査光学系２００Ｃにおいて、光偏向器２０１により制御光１０２が走査される領域のうち、画像形成部２０６に近接する位置に受光素子２０５を配置することで、副走査方向の装置構成をさらに小さくすることができる。

図１３に示した走査光学系２００Ｃの副走査断面において、副走査方向の走査方向が上から下に向かう場合には、受光素子２０５が光を検知した後、上方向に光偏向器２０１が移動し走査を開始する、いわゆる走査後端でタイミング信号を取得する。逆に走査方向が下から上の場合には、走査先端でタイミング信号を取得する。走査光学系２００Ｃでは、光偏向器２０１で偏向走査される制御光１０２の光量を削減して、例えば光偏向器２０１のＭＥＭＳデバイスのガラスの面積を小さく設定して、光偏向器２０１から出射しないようにすることができる。走査光学系２００Ｃでは、光偏向器２０１のガラスの面積を小さくすることで、低コスト化を図りつつ、不要な光を走査しないため、ゴースト光による画像劣化も防ぐことができる。

また、走査光学系２００Ｃでは、光偏向器２０１に入射し出射される光の角度範囲の合計が６０ｄｅｇ程度になるため、さらなる装置構成の小型化を図ることができる。

●走査光学系（５）●
本発明に係る光走査装置のさらに別の実施の形態である、ＨＵＤ１０００が備える走査光学系２００Ｄについて、先に説明した走査光学系２００，２００Ｂ，２００Ｃとの相違点のみ説明する。

図１４に示すように、光源部１００から出射される画像表示用ビーム１０１は、主走査方向において、偏向走査範囲の中心に対し、β４＝４０ｄｅｇの角度を持って光偏向器２０１に入射する。光偏向器２０１に入射した画像表示用ビーム１０１は、偏向領域ω４１＝５２ｄｅｇで入射方向と同じ方向にある画像形成部２０６に反射される。

図１５に示すように、画像表示用ビーム１０１は、副走査方向において、光偏向器２０１の偏向走査範囲の中心に対し角度を持たずに光偏向器２０１に入射して、偏向領域ω４２＝±１０ｄｅｇ（画角＝２０ｄｅｇ）で画像形成部２０６に反射される。図１５を参照すれば、画像表示用ビーム１０１は、主走査方向断面において、光偏向器２０１への入射光と出射光とが、同一の副走査方向の断面内にある。

受光素子２０５に向かう制御光１０２は、副走査方向において光束分離素子２０３により画像表示用ビーム１０１から分離される。制御光１０２は、光束分離素子２０３で分離された後、反射面２０４で反射されて、副走査方向においてα４＝２２ｄｅｇで光偏向器２０１に入射する。

走査光学系２００Ｄと先に説明した走査光学系２００Ｃとの相違点は、主走査方向において画像表示用ビーム１０１が、光偏向器２０１の偏光範囲外から入射している点である。走査光学系２００Ｄは、主走査方向において角度を持って画像表示用ビーム１０１を光偏向器２０１に入射させることで、副走査方向の装置構成を小型化することができる。この場合に、走査光学系２００Ｄの主走査方向の装置構成は、走査光学系２００Ｃと比較して大きくなるが、制御光１０２を副走査方向で分離しているため、走査光学系２００や走査光学系２００Ｂと比較すると小型化することができる。

走査光学系２００Ｄでは、光偏向器２０１に入射し出射される光の角度範囲の合計が、主走査方向において最低で６６ｄｅｇ程度であり、走査光学系２００，２００Ｂ，２００Ｃと比較して小型化することができる。また、走査光学系２００Ｄでは、光偏向器２０１に入射し出射される光の角度範囲の合計が、副走査方向において３４ｄｅｇ程度であり、特に副走査方向において小型化に適している。

以上説明したように、本実施の形態に係る走査光学系では、主走査方向と副走査方向で要求されるサイズに対応して、適宜な光学配置を採用することにより、装置構成を小型化することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る走査光学系では、画像の光量のダイナミックレンジを広く取るために、光源部１００からの光量を効率よく画像形成部２０６に伝達することができるため、明るい画像を形成することができる。また、本実施の形態に係る走査光学系では、光源部１００の光量を下げたときにおいても、画像の位置を決めるための同期信号、つまり制御光１０２を安定して取得することができる。

なお、以上説明した本実施の形態に係る走査光学系において示した角度は、大きさを比較するために例示したものであり、本発明においてはこれに限定されず、受光部を走査する光の範囲なども考慮することができる。

１０ フロントウインドシールド
１１ 利用者
１２ 虚像
１００ 光源部
１０１ 画像表示用ビーム
１０２ 制御光
１１０ 第１レーザ素子
１２０ 第２レーザ素子
１３０ 第３レーザ素子
１１１ 第１カップリングレンズ
１２１ 第２カップリングレンズ
１３１ 第３カップリングレンズ
１１２ 第１アパーチャ
１２２ 第２アパーチャ
１３２ 第３アパーチャ
１４０ ビーム合成プリズム
１４１ 第１ダイクロイック膜
１４２ 第２ダイクロイック膜
１５０ レンズ
１５２ 蛇行状梁部
１５４ 枠部材
１５６ 圧電部材
２００ 走査光学系
２０１ 光偏向器
２０２ 被走査面素子
２０３ 光束分離素子
２０５ 受光素子
２０６ 画像形成部
２１０ 微小ミラー
３００ 観察光学系
３０１ 凹面ミラー
３０２ コンバイナ
３０３ 入射領域中心
３０４ 第１仮想軸
３０５ 虚像中心
３０６ 第２仮想軸
３０７ 反射面中心
６００ ＦＰＧＡ
６０２ ＣＰＵ
６０４ ＲＯＭ
６０６ ＲＡＭ
６０８ ＩＦ
６１０ バスライン
６１５ ＭＥＭＳコントローラ
８００ 車両情報入力部
８０２ 外部情報入力部
８０４ 画像生成部
８０６ 画像表示部
１０００ ＨＵＤ
６１１１ ＬＤドライバ
８０６０ 制御部

特許第５０５０８６２号公報 特開２０１３−１５７３８号公報

本発明は、光を発する光源と、光源からの光を、画像形成部を走査する走査光と、走査光の走査状態を制御する信号を生成するための制御光とに分離し、走査光の進行方向と制御光の進行方向を異ならせる光分離部と、反射面を揺動して画像形成部を走査光により光走査する光偏向器と、制御光を受光して信号を生成する受光素子と、信号に基づいて走査状態を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

Claims (12)

1. 光を発する光源と、
   前記光源からの前記光を、画像形成部を走査する走査光と、前記走査光の走査状態を制御する信号を生成するための制御光とに分離し、前記走査光の進行方向と前記制御光の進行方向とを異ならせる光分離部と、
   反射面を揺動して前記画像形成部を前記走査光により光走査する光偏向器と、
   前記制御光を受光して前記信号を生成する受光素子と、
   前記信号に基づいて前記光偏向器の走査状態を制御する制御部と、
   を有する光走査装置。
2. 前記光偏向器は、前記反射面を揺動して前記受光素子を前記制御光により光走査する、
   請求項１記載の光走査装置。
3. 前記走査光の光量と前記制御光の光量を異なる光量にする光量可変部を有する、
   請求項１または２記載の光走査装置。
4. 前記光偏向器は、第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とに前記反射面を揺動し、
   前記走査光は、前記第１方向と前記第２方向に光走査される、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の光走査装置。
5. 前記光分離部は、前記走査光を前記光偏向器の方向に、前記制御光を前記第１方向に分離する、
   請求項４記載の光走査装置。
6. 前記光偏向器は、第１方向の偏向角が前記第２方向の偏向角よりも大きい、
   請求項５記載の光走査装置。
7. 前記第１方向における、前記光偏向器への前記走査光の入射角に対する前記光偏向器への前記制御光の入射角は、前記光偏向器による前記走査光の偏向角より大きい、
   請求項５または６記載の光走査装置。
8. 前記光分離部は、前記走査光を前記光偏向器の方向に、前記制御光を前記第２方向に分離する、
   請求項４記載の光走査装置。
9. 前記受光素子は、前記光偏向器により前記制御光が走査される領域のうち、前記画像形成部に近接する位置に配置される、
   請求項８記載の光走査装置。
10. 前記光分離部により前記制御光が分離される方向における、前記光偏向器への前記走査光の入射角に対する前記光偏向器への前記制御光の入射角は、前記光偏向器による前記走査光の偏向角より大きい、
    請求項４乃至９のいずれかに記載の光走査装置。
11. 光源からの光を画像形成部に走査して画像を形成する光走査装置と、
    前記画像形成部に形成されている前記画像を虚像として表示する観察光学系と、
    を有する画像表示装置であって、
    前記光走査装置は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の光走査装置である、
    画像表示装置。
12. 前記画像表示装置は、移動体に搭載されていて、
    前記観察光学系は、前記移動体のフロントウインドシールドを含む、
    請求項１１記載の画像表示装置。