JP2017083657A - 映像投射装置及びｍｅｍｓミラーの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部環境要因が変化した場合でも、ミラー部を適切に制御することで、投射角度範囲や空間位置を一定に保つことが可能な映像投射装置を提供する。【解決手段】 本装置は、第１光を出力する第１光源１１２と、ミラー部（ＭＥＭＳミラー１０６）を有する光偏向器と、ミラー部を回動させることで第１反射光により映像を形成する制御装置と、第２光によって走査される第２被走査面（振れ角測定用投射範囲）に配設された導光器１０７と、導光器１０７を通過した光を検出する光検出器１０９を備える。制御装置は、映像を形成する際、ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号が所定値となってから、光検出器１０９が光を検出するまでの時間（ｔ１−ｔ０）と、ミラー部の共振周波数との積算値を算出する。制御装置は、積算値が一定となるようにミラー部を駆動させる。【選択図】 図７

Description

本発明は、映像投射装置及びこれに用いられるＭＥＭＳミラーの制御方法に関する。

近年、ＬＥＤや半導体レーザ等の半導体光源と、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)、ＤＭＤ(Digital Mirror Device)、ＬＣＯＳ(Liquid Crystal On Silicon)等の小型光学偏向装置とを組み合わせた映像投射装置が、ピコプロジェクタやヘッドアップディスプレイ用として開発されている。

ＤＭＤやＬＣＯＳは、投影画面全体をカバーする光源から必要な画素のみを選択的にスイッチングし、投影に使われなかった光はフィルタや吸収体に吸収されるという特徴がある。これに対し、ＭＥＭＳは２次元の走査に応じて投影画面のうち必要な部分だけ光源を点灯させるので、光の利用効率に優れている。

また、ＤＭＤやＬＣＯＳは光学的な空間位置を固定したままスイッチングを行うので、投射角度範囲や空間位置は常に一定となる。一方、ＭＥＭＳは揺動ミラーが光学系に含まれるので、温度や湿度等の外部環境要因の影響を受ける。従って、揺動ミラーを適切に制御しなければ、投射角度範囲や空間位置を一定に保つことができない。そこで、揺動ミラーを適切に制御して、安定した投影画面を提供できる映像投射装置が望まれている。

例えば、下記の特許文献１には、レーザ光走査装置の走査範囲内に光検出素子を設置し、振れ角を検出する方法が開示されている。具体的には、光検出素子をマイクロミラーの反射光により走査される走査範囲の一端に配設している。ここで、マイクロミラーの振れ角は、駆動電圧が一定の場合であっても温度が上昇すると小さくなり、温度が低下すると大きくなる。これを利用して、光検出素子による反射光の検出状態から走査範囲の伸縮を検出し、検出信号に基づいてマイクロミラーの振れ角を算出することができる（特許文献１／段落００３１〜００３４，図１）。

特開２００７−０８６６２６号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、マイクロミラーの振れ角が減少した場合に、マイクロミラーの共振周波数が変化したのか、駆動電圧に対するマイクロミラーの変位量が減少したのかを判定することができなかった。

また、温度や湿度の他にも、外部振動やＥＭＩ(Electro Magnetic Interference：電磁干渉ノイズ)により、信号処理に悪影響を及ぼすノイズが混入する恐れがある。マイクロミラーの振れ角を常に安定させるためには、マイクロミラーを真の共振周波数に追従させつつ振幅を一定に保つことが可能な、ノイズに強い信号処理系が必要であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外部環境要因が変化してもミラー部を適切に制御することで、投射角度範囲や空間位置を一定に保つことが可能な映像投射装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の映像投射装置は、第１光源と、前記第１光源から出力される第１光を反射するミラー部、前記ミラー部を回動軸線周りに回動させるアクチュエータ及び前記ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号を出力するセンサを有する光偏向器と、前記ミラー部を前記アクチュエータによって共振周波数で前記回動軸線周りに回動させることにより、前記第１光を前記ミラー部で反射させた第１反射光によって走査される第１被走査面に映像を形成する制御装置と、前記第１光とは異なる第２光を前記ミラー部で反射させた第２反射光を通過させるため、前記第２反射光によって走査される第２被走査面に配設された導光器と、前記導光器を通過した光を検出する光検出器とを備え、前記制御装置は、前記第１被走査面に映像を形成する際、前記センサ信号が所定値となってから前記光検出器が光を検出するまでの時間と、前記共振周波数との積算値を算出し、前記積算値が一定となるように前記アクチュエータを駆動させることを特徴とする。

映像投射装置の光偏向器は、温度、湿度等の外部環境要因が変化した場合、ミラー部を含む光偏向器の構成材料の硬度、剛性等が変化する。その結果、光偏向器の共振周波数や駆動信号に基づくミラー部の変位量が、外部環境要因が変化する前の共振周波数及び当該変位量から変化し、同一の駆動信号でアクチュエータを駆動しても、ミラー部の振れ角が一定にならないという傾向がある。

本発明によれば、制御装置は、ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号が所定値（例えば、センサ信号は、振れ角が０のとき０[ｖ]）となる時刻を起点、光検出器が光を検出する時刻を終点として、起点から終点に到達するまでの時間を計測する。さらに、制御装置は、その計測時間とミラー部の共振周波数との積算値を算出し、積算値が常に一定となるようにアクチュエータを駆動させる。

アクチュエータの駆動処理は、ミラー部の振れ角が大きくなった場合には上述の計測時間が短くなり、振れ角が小さくなった場合には長くなることを利用している。すなわち、共振周波数が一定であれば、ミラー部の振れ角に応じて積算値が増減する。そのため、積算値が一定となるようにアクチュエータを制御することで、ミラー部の振れ角を一定に保つことができる。

その結果、温度、湿度等の外部環境要因が変化した場合でも、装置から映像を投射しながら、ミラー部の振れ角により規定される投射角度範囲を一定に維持するようにミラー部を制御することができる。

本発明において、前記第１光を分光する分光器と、前記分光器からの光を反射する固定ミラー部とを備え、前記第２光は、前記固定ミラー部で反射させた光であることが好ましい。

本発明は、分光器と固定ミラー部を備えており、第１光源から出力される第１光を分光器で分光して、第１光の一部が固定ミラー部へ進むようにする。これにより、固定ミラー部で反射させた光を第２光として、ミラー部の振れ角検出に用いることができる。

また、本発明において、前記第１光源とは異なる第２光源を備え、前記第２光は、前記第２光源から出力される不可視波長の光であることが好ましい。

本発明は、第１光源とは異なる第２光源を備える方式としてもよい。これにより、第２光源から出力される光を第２光として、ミラー部の振れ角検出に用いることができる。ここで、第２光は赤外線等の不可視波長の光であるので、仮に第２光が外部に漏れて迷光となっても映像投射装置が投影する映像には影響を及ぼさない。

本発明の映像投射装置の制御方法は、光源と、前記光源から出力される第１光を反射するミラー部、前記ミラー部を回動軸線周りに回動させるアクチュエータ及び前記ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号を出力するセンサを有する光偏向器と、前記ミラー部を前記アクチュエータにより共振周波数で前記回動軸線周りに回動させることにより、前記第１光を前記ミラー部で反射させた第１反射光によって走査される被走査面に映像を形成する制御装置とを備えた映像投射装置の映像の投射角度範囲を制御する制御方法であって、前記制御装置が前記ミラー部の共振周波数を取得する共振周波数取得工程と、前記制御装置が前記ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号が所定値となる第１時刻と、前記第１光とは異なる第２光を前記ミラー部で反射させた光が所定位置に配設された光検出器により検出される第２時刻とを計測する計時工程と、前記制御装置が前記第１時刻から前記第２時刻までの時間と、前記共振周波数との積算値を算出する積算値算出工程と、前記制御装置が前記積算値が一定となるように前記ミラー部を駆動させる制御工程とを備えることを特徴とする。

この映像投射装置の制御方法は、制御装置が共振周波数取得工程で、ミラー部の共振周波数を取得する。また、計時工程では、制御装置が、ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号が所定値（例えば、センサ信号は、振れ角が０のとき０[ｖ]）となる第１時刻（起点）と、第２光をミラー部で反射させた光が所定位置に配設された光検出器により検出される第２時刻（終点）とを計測する。

さらに、制御装置が積算値算出工程で、第１時刻から第２時刻までの時間と、共振周波数との積算値を算出する。共振周波数が一定であれば、積算値の増減によりミラー部の振れ角が大きくなったか、小さくなったかを判定することができるので、制御工程では、制御装置が積算値が一定となるようにミラー部を駆動させる。これにより、温度、湿度等の外部環境要因が変化した場合でも、ミラー部の振れ角により規定される投射角度範囲を一定に維持するようにミラー部を制御することができる。

本実施形態の映像投射装置の構成を示すブロック図。 本実施形態の映像投射装置の映像信号処理部の説明図。 本実施形態の映像投射装置に用いられるＭＥＭＳの斜視図。 半導体光源と、ＭＥＭＳミラーと、映像投射装置から投射された映像投射範囲（投射角度範囲）と、振れ角測定用投射範囲との関係を示す図。 時間経過に対する、副走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー及び半導体光源の駆動信号の波形変化を示す図。 時間経過に対する、主走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー及び半導体光源の駆動信号の波形変化を示す図。 図５Ａ及び図５Ｂに示された、ＭＥＭＳミラー及び半導体光源の駆動信号に基づく投射映像の描画範囲と、走査軌跡との関係を示す図。 ＭＥＭＳミラーの振れ角測定の機構を説明する図。 ＭＥＭＳミラーの振れ角測定の機構（変形例）を説明する図。 本実施形態のＭＥＭＳミラーの水平センサ信号と、振れ角測定用の受光素子検出信号との時間的な相関関係を示す図。 ＭＥＭＳミラーの振れ角が増大した場合の計測時間の変化を説明する図。 ＭＥＭＳミラーの共振周波数が低下した場合の計測時間の変化を説明する図。 本実施形態の共振追従制御の概念図。 本実施形態の駆動信号の周波数と当該周波数に対応するＭＥＭＳミラーの振れ角との関係を示す図。 本実施形態の駆動信号の周波数と、駆動信号とセンサ信号との位相差との関係を示す図。 本実施形態の主走査方向（水平方向）用映像信号の波形の生成方法を説明する図。 本実施形態の副走査方向（垂直方向）用映像信号の波形の生成方法を説明する図。 本実施形態の主走査方向用映像信号及び副走査方向用映像信号の波形により生成される投影像を示す図。

図１に示されるように、本実施形態の映像投射装置１０は、半導体光源（本発明の「第１光源」）１１２と、ＭＥＭＳミラー（本発明の「ミラー部」）１０６、ＭＥＭＳミラー１０６の反射光を受光する受光素子（本発明の「光検出器」）１０９、半導体光源１１２及びＭＥＭＳミラー１０６に信号を出力する制御装置２０とから構成され、後述するラスタースキャンを行う装置である。

映像投射装置１０の制御装置２０は、パーソナルコンピュータ、カメラシステム等の映像ソースから出力された映像信号に基づいて生成された映像信号が入力される映像信号入力部１０２と、受信した映像信号を処理するために所定ビット毎に書き込み・読み出しが行われる映像信号蓄積部１０４と、ＭＥＭＳミラー１０６に対して交流波の駆動信号を出力するＭＥＭＳ駆動部１０８と、駆動信号に応じてＭＥＭＳミラー１０６が回動軸線周りを回動したとき、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角に応じた電圧を出力するセンサからの信号が入力されるセンサ信号入力部１１０と、ＭＥＭＥＳミラー１０６に光を照射するＬＥＤや半導体レーザ等の半導体光源１１２に対して画素データを出力する光源駆動部１１４と、受光素子１０９の検出信号が入力される光学センサ信号入力部１１５と、映像信号を処理して映像投射装置１０の制御を行う映像信号処理部１１６とから構成される。

本実施形態では、説明の便宜のため、ＭＥＭＳミラー１０６を駆動する交流波の駆動信号として正弦波形状の駆動信号を用いて説明するが、正弦波形状の駆動信号に対して９０°位相が遅れた余弦波形状の信号等を用いてもよい。

映像信号入力部１０２は、映像信号を処理するために、入力された映像信号を映像信号処理部１１６に出力する。映像信号入力部１０２としては、アナログＲＧＢレシーバー、ＤＶＩ、ＨＤＭＩ（登録商標）、Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐｏｒｔ等のデジタル映像信号レシーバー等を用いることができる。

映像信号蓄積部１０４では、映像信号入力部１０２から出力された映像信号を処理するために信号の書き込み・読み出しが行われる。映像信号蓄積部１０４としては、ＳＤＲＡＭ等を用いることができる。本実施形態の映像投射システムでは、映像信号は高速信号として生成されるため、ＤＤＲ２ ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭが好適である。

ＭＥＭＳ駆動部１０８は、ＭＥＭＳミラー１０６に対する駆動信号を出力するために、映像信号処理部１１６からのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバーターと、その出力信号をＭＥＭＳミラー１０６の駆動電圧レベルまで増幅するオペアンプから構成される。

センサ信号入力部１１０は、駆動信号に応じてＭＥＭＳミラー１０６が回動軸線周りに回動し、走査方向に揺動したときのＭＥＭＳミラー１０６の振れ角に応じた電圧を出力するセンサからの信号が入力される信号入力部である。また、光学センサ信号入力部１１５は、後述する振れ角測定用投射範囲に設置された受光素子１０９の検出信号が入力される信号入力部である。センサ信号入力部１１０及び光学センサ信号入力部１１５は、受信したアナログ信号を映像信号処理部１１６に出力されるデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバーターと、Ａ／Ｄコンバーターに対する適切な入力レベルを確保するオペアンプとから構成される。

光源駆動部１１４は、映像信号処理部１１６から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する高速Ｄ／Ａコンバーターと、ＲＧＢ各色の半導体光源１１２を駆動できるだけの電流容量を持つドライバトランジスタ等とから構成される。

映像信号処理部１１６は、映像信号を処理して映像投射装置１０の制御を行う。映像信号処理部１１６は、例えば、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、マイクロプロセッサ、又はこれらのハイブリッドデバイス（EPP（Extensible Processing Platform）やSoC（System on Chip））等を用いることができる。

図２に示されるように、映像信号処理部１１６は、映像信号を映像信号入力部１０２から映像信号蓄積部１０４に出力するインターフェースとしての入力映像処理部１２０と、映像信号蓄積部１０４及び光学センサ信号入力部１１５から出力された信号等に基づいて、ＭＥＭＳ駆動部１０８へ送出するＭＥＭＳミラー１０６の駆動信号及び光源駆動部１１４に送出する画素データ抽出の基礎となる信号等を生成する駆動信号生成部１２２と、センサ信号入力部１１０及び駆動信号生成部１２２から出力された信号に基づいて、共振周波数追従制御を行い、画素データ抽出部１２６に信号を送出する駆動信号演算処理部１２４と、駆動信号生成部１２２及び駆動信号演算処理部１２４から出力された信号に基づいて、光源駆動部１１４に送出する画素データを抽出する画素データ抽出部１２６と、これらの各信号処理の制御パラメータに対する制御を行うとともに、スイッチ、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）等の図示しない外部制御手段とのインターフェースとしての機能を果たす総合制御部１２８とから構成される。

本実施形態のＭＥＭＳミラー１０６を備えるＭＥＭＳ１３０は、図３に示されるように、反射面を有するＭＥＭＳミラー１０６を一対のトーションバー１３１Ａ，１３１Ｂにより支持する第１支持部１３２と、ＭＥＭＳミラー１０６を第１支持部１３２に対して一対のトーションバー１３１Ａ，１３１Ｂ、すなわち、主走査方向（Ｙ軸周り）に揺動させる第１のアクチュエータ１３４，１３６と、第１支持部１３２を支持する第２支持部１３８と、第１支持部１３２を第２支持部１３８に対して副走査方向（Ｘ軸周り）に揺動させる第２のアクチュエータ１４０，１４２とを備え、２次元走査が可能な２軸型光偏向器である。

ＭＥＭＳ１３０を備える映像投射装置１０は、後述する映像投射範囲のうち描画範囲のみが２次元走査に応じて光が照射されるように、半導体光源１１２が点灯されるので、光の利用効率の向上を図ることができる。

ＭＥＭＳ１３０のアクチュエータとしては、圧電方式、静電方式、電磁形式のアクチュエータを用いることができる。本実施形態では、アクチュエータ１３４，１３６として、圧電アクチュエータを採用している。また、アクチュエータ１４０，１４２はそれぞれ、４つの圧電カンチレバーが連結されて構成されている。各圧電カンチレバー１４０Ａ〜１４０Ｄ，１４２Ａ〜１４２Ｄは、支持体と、下部電極と、圧電体と、上部電極とから構成された積層体を含む。

映像信号に基づく映像の投射は、水平方向の高速走査、垂直方向の低速走査によって実行される。そのため、ＭＥＭＳミラー１０６は、高速動作に対応したアクチュエータ１３４，１３６の共振駆動により主走査方向に揺動し、低速動作に対応したアクチュエータ１４０，１４２の非共振駆動により副走査方向に揺動する。

本実施形態では、副走査方向の揺動は低速動作であるため、非共振駆動のアクチュエータ１４０，１４２を用いたが、これに限定されず、共振駆動のアクチュエータを用いてもよい。

ＭＥＭＳミラー１０６の回動状態を検出するために、第１支持部１３２には、トーションバー１３１Ａ，１３１Ｂの根元にセンサ１４４Ａ，１４４Ｂが、また、アクチュエータ１４０，１４２の近傍にセンサ１４６が設けられている。位置センサとしては、圧電効果を用いたセンサやピエゾ抵抗効果を用いたセンサを採用することができる。圧電効果を用いたセンサは、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角の変位量に対して微分値を返す速度センサとして動作する。また、ピエゾ抵抗効果を用いたセンサは、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角の変位量に比例した値を返す位置センサとして動作する。

なお、同一の製造プロセスでアクチュエータ及びセンサの積層構造を形成できるという点では、圧電効果を用いたアクチュエータ及びセンサを用いることが好ましい。

また、センサ１４４，１４６はそれぞれ、少なくとも１つ設ける必要があるが、ＭＥＭＳミラー１０６の主走査方向及び副走査方向の揺動安定性及び差動信号のノイズキャンセリング効果の向上のために、図３に示されるように、Ｙ軸及びＸ軸を中心として線対称に２つ設けることが好ましい。

次に、図４〜図６を用いて、主に半導体光源１１２と、図３に示されるＭＥＭＳ１３０のＭＥＭＳミラー１０６とを用いたラスタースキャンを説明する。

図４に示されるように、半導体光源１１２から直接ＭＥＭＳミラー１０６に入射して反射された光（本発明の「第１反射光」）は、映像投射範囲に映像（走査軌跡）を描画する。また、半導体光源１１２から出力された光は、その一部が分光器１０３で分割され、固定ミラー１０５の方向へ進む。さらに、固定ミラー１０５で反射された光（本発明の「第２反射光」）は、ＭＥＭＳミラー１０６に入射する。固定ミラー１０５から入射し、ＭＥＭＳミラー１０６で反射された光は、映像投射範囲とは異なる振れ角測定用投射範囲に走査軌跡を描く。詳細は後述するが、ＭＥＭＳ駆動部１０８は、振れ角測定用投射範囲に到達する光を利用して、ＭＥＭＳミラー１０６を一定の振れ角で駆動させる。

映像の描画に関して、副走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー１０６により、図４の映像投射範囲において垂直方向の走査が実行される。本実施形態の副走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー１０６の駆動信号の波形は、図５Ａに示される鋸波形状とするのが好ましい。

副走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー１０６は低速駆動されるので、共振駆動のアクチュエータと非共振駆動のアクチュエータのいずれも用いることができるが、非共振駆動のアクチュエータに好適な鋸波形状の駆動信号を用いて有効描画時間を長く確保することにより、投影画面の明るさの向上を図ることができる。

具体的には、鋸波形状の駆動信号には、図５Ａに示されるように、時間経過に対する駆動信号の波形の傾きが緩やかな区間と、急峻な区間とが交互にあらわれる。そして、鋸波形状の駆動信号の傾きが緩やかな区間で半導体光源１１２を点灯して描画を行い（描画区間）、傾きが急峻な区間で半導体光源１１２を消灯する非描画区間（垂直帰線区間）を設ける。

鋸波形状の駆動信号の傾きが変化する頂点付近では、副走査方向の揺動するＭＥＭＳミラー１０６は非常に低速な駆動状態になるため、当該頂点付近の区間に対応する描画部分は描画範囲の他の部分と比較すると特に明るく見える。そのため、当該頂点付近の区間では、半導体光源１１２を消灯することにより、描画範囲で表される画面全体の明るさの均一性を実現し得る。

一方、主走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー１０６により、図４の映像投射範囲において水平方向の走査が実行される。本実施形態の主走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー１０６の駆動信号の波形は、図５Ｂに示される交流波、例えば、正弦波形状とするのが好ましい。主走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー１０６は高速駆動されるので、共振駆動のアクチュエータを用いることが好ましく、また、共振駆動のアクチュエータに好適な正弦波形状の駆動信号を用いることが好ましいからである。

具体的には、正弦波形状の駆動信号には、図５Ｂに示されるように、時間経過に対する駆動信号の波形の頂点付近の区間と、それ以外の区間とが交互にあらわれる。そのため、図４に示されるように、往復走査、すなわち、右方向走査及び左方向走査の両方で描画を行うことが、有効描画時間の確保の点から好適である。片側走査、例えば、右方向走査（左方向走査）のみで描画を行い、左方向走査（右方向走査）においては非描画区間（水平帰線区間）を設ける方式を比較して、往復走査、すなわち、右方向走査と左方向走査の両方で描画を行い、有効描画時間を長く確保することができる。

さらに、正弦波形状の駆動信号の頂点付近（水平折返区間）では、主走査方向に揺動するＭＥＭＳミラー１０６は非常に低速な駆動状態になるため、当該頂点付近の区間に対応する描画部分は描画範囲の他の部分と比較すると特に明るく見える。描画範囲で表される画面全体の明るさの均一性を実現し得るため、図５Ｂに示されるように、経過時間に対して隣り合う当該頂点付近の区間（水平折返区間）の間の区間で半導体光源１１２を点灯して図４の水平方向の走査軌跡の１ライン分の描画を行い、水平折返区間で半導体光源１１２を消灯して非描画区間を設ける。

上述したラスタースキャンを実施することにより、図６に示されるように、被走査面（本発明の「第１走査面」）での走査軌跡全体から水平方向及び垂直方向において、図４の映像投射範囲の周縁領域が切り取られた描画範囲が得られる。

次に、図７及び図８を用いて、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角を測定し、ＭＥＭＳミラー１０６を一定の振れ角で駆動させる機構を説明する。

図７に示されるように、固定ミラー１０５から入射してＭＥＭＳミラー１０６で反射された光は、半導体光源１１２から直接ＭＥＭＳミラー１０６に入射する光とは異なる入射角度で、ＭＥＭＳミラー１０６に入射する。これにより、映像投射範囲で映像の描画が行われている間に、振れ角測定用投射範囲の被走査面（本発明の「第２走査面」）にも、固定ミラー１０５からの光による走査軌跡が描かれる。

振れ角測定用投射範囲には、導光器１０７が設置されている。導光器１０７は、２次元スキャンに対応するため管状が好ましく、材質はガラス、アクリル、ポリカーボネート等、種々のものを用いることができる。

さらに、導光器１０７を通過した光が進行する位置には、受光素子１０９が設置されている。導光器１０７に光が入射すると、その光が導光器１０７の内部を伝搬して受光素子１０９に到達する。そして、受光素子１０９は、ＭＥＭＳ駆動部１０８に光の検出信号を送信する。これにより、垂直方向の振れ角に関係なく、ＭＥＭＳミラー１０６の水平方向の振れ角を検出することができる。なお、受光素子１０９は、応答性やコストの面からフォトダイオードが最適である。

振れ角検出用の導光器１０７や受光素子１０９が映像の投影を妨げることがないよう、映像投射範囲と振れ角測定用投射範囲は前後方向に重ならない位置にある。導光器１０７は、振れ角測定用投射範囲の水平方向中心から離れた位置に配置する必要があり、受光素子１０９の検出タイミングから、映像信号処理部１１６がＭＥＭＳミラー１０６の振動周期を計測する。

具体的には、ＭＥＭＳ１３０に内蔵された水平方向のセンサ１４４Ａ，１４４Ｂが位置センサである場合、ＭＥＭＳミラー１０６が振れ角の０（原点位置）となる瞬間に、位置センサの電圧信号が０となる。この振れ角が０となる時刻をｔ＝ｔ０（本発明の「第１時刻」）とし、振動周期計測の起点とする。

その後、ＭＥＭＳミラー１０６が揺動すると、固定ミラー１０５からの反射光が導光器１０７を通過し、受光素子１０９で検出される。この検出時刻をｔ＝ｔ１（本発明の「第２時刻」）とし、振動周期計測の終点とする。すなわち、期間Ｔ＝ｔ１−ｔ０は、ＭＥＭＳミラー１０６の振動周期の１/４（又は３/４）となる。従って、期間Ｔ（検出角度範囲）は、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角が大きくなったか小さくなったかを判定するのに用いることができる。

ここで、導光器１０７を振れ角測定用投射範囲の水平方向中心に設置しないのは、水平方向中心に設置した場合、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角に応じて、受光素子１０９による検出タイミングが変化しないためである。なお、映像のアスペクト比変換（例えば、４：３⇔１６：９）に対応させるため、受光素子１０９は、想定し得るＭＥＭＳミラー１０６の水平方向の振れ角限界の内側に設置する必要がある。

また、図８に示されるように、振れ角測定用投射範囲の被走査面に走査軌跡を描くため、新たな半導体光源（本発明の「第２光源」）１１３を設置する方式を採用してもよい。半導体光源１１３は、半導体光源１１２とは異なる入射角度で、ＭＥＭＳミラー１０６に入射する。当然のことながら、半導体光源１１３による光は製品内部に閉じ込める構造とする必要があり、外部に漏れて迷光とならないようにしなければならない。従って、半導体光源１１３は、赤外線などの不可視波長の光を出力する光源が望ましい。

次に、図９に、ＭＥＭＳミラー１０６のセンサ１４４Ａ，１４４Ｂの電圧信号（図中の「水平センサ信号」）と、振れ角測定用の受光素子１０９の検出信号との時間的な相関関係を示す。

本実施形態では、ＭＥＭＳ１３０に内蔵されたＭＥＭＳミラー１０６の水平方向のセンサ１４４Ａ，１４４Ｂと、受光素子１０９という性質の異なる２つの検出手段を併用している。センサ１４４Ａ，１４４Ｂは、温度や湿度の変化に伴ってセンサ感度が変化してしまうことから、直接的な振れ角検出のための信号取得をすることが難しい。このため、センサ１４４Ａ，１４４Ｂの電圧信号は、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角検出の原点として利用する。

センサ１４４Ａ，１４４Ｂが位置情報を返す位置センサである場合、電圧信号が０となる点が原点（振れ角中心）である。なお、センサ１４４Ａ，１４４Ｂが速度情報を返す速度センサである場合、電圧信号が最大となる点を原点として取り扱うか、位相を９０度ずらすことによって位置センサと同等に取り扱うことができる。

図９は、センサ１４４Ａ，１４４Ｂが位置センサの場合であるが、水平センサ信号が０となる瞬間（時刻ｔ０）（走査方向は、受光素子１０９に近づく方向）を計測の起点とする。続いて、振れ角測定用投射範囲に設置された受光素子１０９が光を検出した瞬間（時刻ｔ１、電圧ｖ’）を計測の終点とする。この起点から終点までの期間Ｔを振れ角検出の１つのパラメータとする。

次に、図１０に、ＭＥＭＳミラー１０６の共振周波数が一定で、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角が増大した場合の計測時間（期間Ｔ）の変化を示す。受光素子１０９の位置は不変であるため、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角が増大すると起点（時刻ｔ０）から終点（時刻ｔ２）に到達する時間は短くなる（期間Ｔ→期間Ｔα）。逆に、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角が減少すると起点から終点に到達する時間は長くなるので、振れ角が増大したのか、又は減少したのかを判定することができる。

次に、図１１に、ＭＥＭＳミラー１０６の振れ角が一定で、ＭＥＭＳミラー１０６の共振周波数が低下した場合の計測時間（期間Ｔ）の変化を示す。ここでは、電圧波形が時間軸方向に伸びるので、起点（時刻ｔ０）から終点（時刻ｔ３）に到達する時間が長くなる（期間Ｔ→期間Ｔβ）。以上では、振れ角と共振周波数の一方が変化する例を示したが、実際には、温度や湿度等の外部環境要因によって、振れ角と共振周波数の両方が同時に変化する。このため、計測時間のみを振れ角一定制御の基準値とすることはできない。そこで、計測時間と共振周波数との積をとって基準値とする。

このため、映像投射装置１０の起動時に、ＭＥＭＳミラー１０６の共振周波数を取得するために共振点スキャン（周波数スイープ）を行う。また、これと同時に、上述の起点から終点までの期間Ｔを計測し、共振周波数を乗じる。この積（本発明の「積算値」）が振れ角の水平方向中心から受光素子１０９の設置位置までの角度に相当するので、以降の振れ角一定制御の基準値として駆動信号演算処理部内に記憶しておく。そして、後述する共振点追従制御と同時に、上述の計測時間と共振周波数の積が一定となるように、水平方向のアクチュエータ１３４，１３６の駆動電圧を増減させる。これにより、ＭＥＭＳミラー１０６は、常に一定の振れ角となる。

次に、制御装置２０で行われる共振追従制御について、図１２〜図１４を用いて説明する。図１２〜図１４では、アクチュエータ１３４，１３６の共振駆動により、共振周波数でトーションバー１３１Ａ，１３１Ｂの周りを回動し、主走査方向に揺動するＭＥＭＥＳミラー１０６を例として用いて説明する。

本実施形態の制御装置２０の共振追従制御は、ＭＥＭＳミラー１０６が共振周波数で共振駆動されている場合、センサ１４４Ａ（１４４Ｂ）からのセンサ信号が、正弦波形状の信号である駆動信号に対して位相が９０°（２７０°）遅れた正弦波形状の信号、すなわち余弦波形状の信号になることに着目するものである。

まず、駆動信号生成部１２２により、ＭＥＭＳを駆動するための駆動信号である正弦波信号を生成すると同時に、演算処理用の信号として、位相が駆動信号より９０°遅れた信号、すなわち余弦波信号である演算信号を生成する。

駆動信号生成部１２２により生成された駆動信号によりアクチュエータ１３４，１３６が駆動される。そして、センサ１４４Ａ，１４４Ｂにより、駆動されたＭＥＭＳミラー１０６の振れ角に応じた電圧のセンサ信号がセンサ信号入力部１１０（図１参照）に出力され、２つの演算器１５０，１５２と、極座標変換演算器１５４とから構成される駆動信号演算処理部１２４に出力される。

次に、駆動信号演算処理部１２４により、センサ信号と駆動信号生成部１２２で生成された正弦波信号である駆動信号を演算器１５０で畳み込み積分し、センサ信号と駆動信号生成部１２２で生成された余弦波信号である演算信号を演算器１５２で畳み込み積分する。

具体的には、所定量の離散化時間（好ましくは、１周期あたり１０００点以上）における信号強度値を乗算し、各乗算値を１周期にわたってそれぞれ足し合わせる。尚、駆動信号を制御する際、瞬時値を用いるよりも、積分値を用いる方がノイズ成分の影響を受け難い。

次に、演算器１５０での演算結果である第１積分値を直交座標系のＸ成分、演算器１５２での演算結果である第２積分値をＹ成分として、直交座標系から極座標系への座標変換を極座標変換演算器１５４により実施する。極座標変換後において、極座標系の動径Ｒがセンサ信号の強度に相当し、偏角θが駆動信号とセンサ信号の位相差に相当する。尚、偏角θにはＭＥＭＳミラー１０６の揺動に起因する遅延（機械的な動作遅延）の他に、各々の信号が通過する回路素子に起因する電気的な遅延が含まれる。

ここで、予め、映像投射前に、ＭＥＭＳミラー１０６の設計値、すなわち、予測される共振周波数の近傍において、駆動信号の周波数スイープを行い、共振周波数のスキャンを実施する。上記の信号処理において、極座標変換後における動径Ｒが最大となる周波数が共振点である。共振点における動径Ｒ_０および偏角θ_０を映像信号処理部１１６の内部レジスタ等に記憶しておく。

ＭＥＭＳミラー１０６が共振周波数で共振駆動されている場合、温度、湿度等の外的環境要因によって、共振周波数が所定共振周波数である予め求められた共振周波数から変化すると、振れ角が減少すると同時に、駆動信号に対するセンサ信号の位相、すなわち偏角θが変化するという特徴がある。

当該特徴を、共振周波数が２５１６６［Ｈｚ］のＭＥＭＳミラー１０６について、駆動信号の周波数に対するＭＥＭＳミラー１０６の振れ角との関係（図１３）と、駆動信号の周波数に対するＭＥＭＳミラー１０６の駆動信号とセンサ信号の位相差との関係（図９）を用いて説明する。なお、図１４において、駆動信号とセンサ１４４Ａからのセンサ信号との位相差を「▲」で、駆動信号とセンサ１４４Ｂからのセンサ信号との位相差を「●」で表している。

図１３に示されるように、駆動信号の周波数スイープを行い、振れ角が最大になる点が共振周波数である。例えば、映像許容限界として振れ角に対して最大振れ角の１％未満であることが要求された場合、共振周波数の許容範囲は２５１６３〜２５１６９［Ｈｚ］になり、共振周波数２５１６６［Ｈｚ］に対して共振周波数の許容変化量Δｆ＝３［Ｈｚ］であることがわかる。

また、図１４に示されるように、共振周波数が低周波側にシフトした場合、すなわち駆動信号が共振周波数よりも高い場合は位相差が増大し、共振周波数が高周波側にシフトした場合は位相差が減少する。例えば、駆動信号とセンサ１４４Ａからのセンサ信号との位相差に関して、共振周波数の許容範囲である２５１６３〜２５１６９［Ｈｚ］に対する駆動信号とセンサ信号との位相差は、共振周波数２５１６６［Ｈｚ］に対応する当該位相差に対して位相差の許容変化量Δθ＝１０［°］であることがわかる。

そこで、当該特徴に基づいて、映像投射している間、偏角θを監視し、θ＞θ_０になった場合、駆動信号の周波数を下げ、一方、θ＜θ_０になった場合、駆動信号の周波数を上げることにより、常にθ＝θ_０となるように制御を行う。また、動径Ｒについても監視し、常にＲ＝Ｒ_０になるように、駆動信号の振幅を増減させる。この結果、共振状態を維持することによって、投射角度範囲は常に一定となる。

また、上記共振追従制御は、当該位相差の許容変化量Δθを閾値として、偏角θがθ_０−Δθ≦θ≦θ_０＋Δθを満たす場合、駆動信号の振幅及び周波数を制御する共振追従制御を行わず、θ＜θ_０−Δθ又はθ_０＋Δθ＜θを満たす場合、駆動信号の振幅及び周波数を調整する共振追従制御を行ってもよい。この結果、温度、湿度等の外的環境要因の変化だけでなく、瞬間的なノイズが発生する場合であっても、ノイズの影響を抑制することができる。

さらに、本実施形態の映像投射装置１０では、主走査方向（水平方向）及び副走査方向（垂直方向）において、駆動信号に対して機械的な動作遅延が生ずるため、駆動信号演算処理部１２４により光源駆動部１１４用に主走査方向及び副走査方向の駆動信号のコピーを生成し、その波形全体をそれぞれ遅延させた遅延信号を光源駆動部１１４に出力し、描画区間をオフセットするように構成してもよい（図１５，図１６）。

この結果、走査位置に対して映像を適切に投射することができる（図１７）。また、ＭＥＭＳミラー１０６の駆動系と、画素データ抽出及び光源の駆動系とを、映像信号処理部１１６内の配線系統を分離でき、電気的ノイズの影響を２つの系において相互に抑制することができる。

上記の実施形態は、本発明の一例であり、これ以外にも様々な変形例が考えられる。例えば、実施形態のＭＥＭＳミラー１０６は円形であったが、楕円形や矩形であってもよい。このとき、ミラー部の形状に合わせて、アクチュエータ１３４，１３６の形状も変える必要がある。

１０…映像投射装置、２０…制御装置、１０３…分光器、１０５…固定ミラー、１０６…ＭＥＭＳミラー（ミラー部）、１０７…導光器、１０９…受光素子（光検出器）、１１２，１１３…半導体光源、１３０…ＭＥＭＳ（光偏向器）、１３４，１３６…アクチュエータ、１４４，１４４Ａ，１４４Ｂ，１４６…センサ。

Claims (4)

1. 第１光源と、
   前記第１光源から出力される第１光を反射するミラー部、前記ミラー部を回動軸線周りに回動させるアクチュエータ及び前記ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号を出力するセンサを有する光偏向器と、
   前記ミラー部を前記アクチュエータによって共振周波数で前記回動軸線周りに回動させることにより、前記第１光を前記ミラー部で反射させた第１反射光によって走査される第１被走査面に映像を形成する制御装置と、
   前記第１光とは異なる第２光を前記ミラー部で反射させた第２反射光を通過させるため、前記第２反射光によって走査される第２被走査面に配設された導光器と、
   前記導光器を通過した光を検出する光検出器とを備え、
   前記制御装置は、
   前記第１被走査面に映像を形成する際、前記センサ信号が所定値となってから前記光検出器が光を検出するまでの時間と、前記共振周波数との積算値を算出し、
   前記積算値が一定となるように前記アクチュエータを駆動させることを特徴とする映像投射装置。
2. 請求項１に記載の映像投射装置において、
   前記第１光を分光する分光器と、
   前記分光器からの光を反射する固定ミラー部とを備え、
   前記第２光は、前記固定ミラー部で反射させた光であることを特徴とする映像投射装置。
3. 請求項１に記載の映像投射装置において、
   前記第１光源とは異なる第２光源を備え、
   前記第２光は、前記第２光源から出力される不可視波長の光であることを特徴とする映像投射装置。
4. 光源と、前記光源から出力される第１光を反射するミラー部、前記ミラー部を回動軸線周りに回動させるアクチュエータ及び前記ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号を出力するセンサを有する光偏向器と、前記ミラー部を前記アクチュエータにより共振周波数で前記回動軸線周りに回動させることにより、前記第１光を前記ミラー部で反射させた第１反射光によって走査される被走査面に映像を形成する制御装置とを備えた映像投射装置の映像の投射角度範囲を制御する制御方法であって、
   前記制御装置が前記ミラー部の共振周波数を取得する共振周波数取得工程と、
   前記制御装置が前記ミラー部の振れ角に応じたセンサ信号が所定値となる第１時刻と、前記第１光とは異なる第２光を前記ミラー部で反射させた光が所定位置に配設された光検出器により検出される第２時刻とを計測する計時工程と、
   前記制御装置が前記第１時刻から前記第２時刻までの時間と、前記共振周波数との積算値を算出する積算値算出工程と、
   前記制御装置が前記積算値が一定となるように前記ミラー部を駆動させる制御工程とを備えることを特徴とする映像投射装置の制御方法。