JP2017207678A - 光走査装置、装置、物体装置、光走査方法及び同期信号取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較信号の出力タイミングのずれを抑制できる光走査装置を提供する。【解決手段】 光走査装置１０は、ＬＤ（光源）と、ＬＤからの光の光路上に配置された、光偏向器及び走査ミラーを含む光走査系と、走査範囲に受光部が主走査方向に並べて配置された光検出器１、２と、光検出器１、２の受光信号１、２（検出信号）を比較して同期信号（比較信号）を出力するコンパレータ（比較器）と、を備え、光検出器１、２の受光部が光走査されるときのＬＤの発光パワーＰの目標値Ｐｔが、基準時から比較信号の出力時までの時間Ｔが極小値ＴｓをとるＬＤの発光パワーＰｓに基づいて設定されている。【選択図】図１５

Description

本発明は、光走査装置、装置、物体装置、光走査方法及び同期信号取得方法に関する。

近年、光により走査範囲を走査する装置の開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１には、走査範囲に主走査方向に並べて配置された、複数の光検出器の受光部を光源からの光により走査したときの各光検出器の検出信号を比較器で比較し、その比較信号を同期信号として用いる装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている装置では、比較信号の出力タイミングのずれを低減することに関して改善の余地があった。

本発明は、走査範囲を光走査する光走査装置であって、光源と、前記光源からの光の光路上に配置された光走査系と、前記走査範囲に受光部が主走査方向に並べて配置された第１及び第２の光検出器と、前記第１及び第２の光検出器の検出信号を比較して比較信号を出力する比較器と、を備え、前記第１及び第２の光検出器の受光部が光走査されるときの前記光源の発光パワーの目標値が、基準時から前記比較信号の出力時までの時間Ｔが極小値をとる前記光源の発光パワーＰｓに基づいて設定されていることを特徴とする光走査装置である。

本発明によれば、比較信号の出力タイミングのずれを低減できる。

一実施形態のＨＵＤ装置の概略構成を示す図である。 ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成を示すブロック図である。 ＨＵＤ装置の機能ブロック図である。 ＨＵＤ装置の光源装置について説明するための図である。 ＨＵＤ装置の光偏向器について説明するための図である。 光偏向器のミラーと走査範囲の対応関係を示す図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、マイクロレンズアレイにおいて入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 同期検知系の概略的構成を示す図である。 同期検知系の回路図である。 光源の発光パワーが比較的小さいとき及び比較的大きいときの受光信号１、２、同期信号を示すタイミング図である。 光源の発光パワーが小、中、大のときの受光信号１、２、同期信号を示すタイミング図である。 Ｐ−Ｔ曲線、Ｐ−Ｔｃ曲線、Ｐ−Ｔｄ曲線を示すグラフである。 光源の発光パワーの目標値を中心とする変化幅と出力時間Ｔの変化幅の関係を説明するための図である。 発光パワー目標値設定工程を説明するためのフローチャートである。 画像表示処理を説明するためのフローチャートである。 レーザプリンタを説明するための図である。 図１７の光走査装置を説明するための図である。

以下に、一実施形態の画像表示装置としてのＨＵＤ装置１００について図面を参照して説明する。なお、「ＨＵＤ」は「ヘッドアップディスプレイ」の略称である。

図１には、本実施形態のＨＵＤ装置１００の全体構成が概略的に示されている。

《ＨＵＤ装置の全体構成》
ところで、ヘッドアップディスプレイの投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）、蛍光表示管（ＶＦＤ）のようなイメージングデバイスで中間像を形成する「パネル方式」と、レーザ光源から射出されたレーザビームを２次元走査デバイスで走査し中間像を形成する「レーザ走査方式」がある。特に後者のレーザ走査方式は、全画面発光の部分的遮光で画像を形成するパネル方式とは違い、各画素に対して発光／非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。

そこで、ＨＵＤ装置１００では「レーザ走査方式」を採用している。無論、投射方式として上記「パネル方式」を用いることもできる。

ＨＵＤ装置１００は、一例として、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載され、該移動体のフロントウインドシールド５０（図１参照）を介して該移動体の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば移動体の速度、進行方向、目的地までの距離、現在地名称、移動体前方における物体の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報などの情報）を視認可能にする。この場合、フロントウインドシールド５０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としても機能する。以下では、ＨＵＤ装置１００がフロントウインドシールド５０を備える、車両としての自動車に搭載される例を、主に説明する。

ＨＵＤ装置１００は、図１に示されるように、光源装置１１、光偏向器１５及び走査ミラー２０を含む光走査装置１０と、スクリーン３０と、凹面ミラー４０とを備え、フロントウインドシールド５０に対して画像を形成する光（画像光）を照射することにより、視認者Ａ（ここでは自動車の乗員である運転者）の視点位置から虚像Ｉを視認可能にする。つまり、視認者Ａは、光走査装置１０によりスクリーンに形成（描画）される画像（中間像）を、フロントウインドシールド５０を介して虚像Ｉとして視認することができる。

ＨＵＤ装置１００は、一例として、自動車のダッシュボードの下方に配置されており、視認者Ａの視点位置からフロントウインドシールド５０までの距離は、数十ｃｍから精々１ｍ程度である。

ここでは、凹面ミラー４０は、虚像Ｉの結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。

ＨＵＤ装置１００では、虚像Ｉが視認者Ａの視点位置から１ｍ以上かつ１０ｍ以下（好ましくは６ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、凹面ミラー４０の集光パワーが設定されている。

なお、通常、フロントウインドシールドは、平面でなく、僅かに湾曲している。このため、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０の曲面により、虚像Ｉの結像位置が決定される。

光源装置１１では、画像データに応じて変調されたＲ,Ｇ,Ｂの３色のレーザ光が合成される。３色のレーザ光が合成された合成光は、光偏向器１５の反射面に導かれる。偏向手段としての光偏向器１５は、半導体製造プロセス等で作製された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、直交する２軸周りに独立に揺動可能な単一の微小ミラーを含む。光源装置１１、光偏向器１５の詳細は、後述する。

光源装置１１からの画像データに応じた光（合成光）は、光偏向器１５で偏向され、走査ミラー２０で折り返されてスクリーン３０に照射される。そこで、スクリーン３０が光走査され該スクリーン３０上に中間像が形成される。すなわち、光偏向器１５と走査ミラー２０を含んで光走査系が構成される。なお、凹面ミラー４０は、フロントウインドシールド５０の影響で中間像の水平線が上または下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計、配置されることが好ましい。

スクリーン３０を介した光は、凹面ミラー４０でフロントウインドシールド５０に向けて反射される。フロントウインドシールド５０への入射光束の一部はフロントウインドシールド５０を透過し、残部の少なくとも一部は視認者Ａの視点位置に向けて反射される。この結果、視認者Ａはフロントウインドシールド５０を介して中間像の拡大された虚像Ｉを視認可能となる、すなわち、視認者から見て虚像Ｉがフロントウインドシールド５０越しに拡大表示される。

なお、フロントウインドシールド５０よりも視認者Ａの視点位置側に透過反射部材としてコンバイナを配置し、該コンバイナに凹面ミラー４０からの光を照射するようにしても、フロントウインドシールド５０のみの場合と同様に虚像表示を行うことができる。

《ＨＵＤ装置の制御系のハードウェア構成》
図２には、ＨＵＤ装置１００の制御系のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置１００の制御系は、図２に示されるように、ＦＰＧＡ６００、ＣＰＵ６０２、ＲＯＭ６０４、Ｉ／Ｆ６０８、バスライン６１０、ＬＤドライバ６１１１、ＭＥＭＳコントローラ６１５を備えている。

ＦＰＧＡ６００は、画像データに応じてＬＤドライバ６１１１を介して後述するＬＤを動作させ、ＭＥＭＳコントローラ６１５を介して光偏向器１５を動作させる。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ装置１００の各機能を制御する。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ装置１００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り、例えば、自動車のCAN（Controller Area Network）等に接続される。

《ＨＵＤ装置の機能ブロック》
図３には、ＨＵＤ装置の機能を示すブロック図が示されている。ＨＵＤ装置は、図３に示されるように、車両情報入力部１８００、外部情報入力部１８０２、画像データ生成部１８０４及び画像描画部１８０６を備えている。車両情報入力部１８００には、ＣＡＮ等から車両の情報（速度、走行距離、対象物までの距離、外界の明るさ等の情報）が入力される。外部情報入力部１８０２には、外部ネットワークから車両外部の情報（ＧＰＳからのナビ情報等）が入力される。画像データ生成部１８０４は、車両情報入力部１８００及び外部情報入力部１８０２から入力される情報に基づいて、描画すべき画像の画像データを生成し、ＦＰＧＡ６００に送る。画像描画部１８０６は、制御部８０６０を備え、該制御部８０６０は、ＦＰＧＡ６００に画像描画を開始もしくは終了させるための制御信号を送信する。

《光源装置の構成》
図４には、光源装置１１の構成が示されている。光源装置１１は、図４に示されるように、単数あるいは複数の発光点を有する複数（例えば３つの）の発光素子１１１Ｒ、１１１Ｂ、１１１Ｇを含む。各発光素子は、ＬＤ（レーザダイオード）であり、互いに異なる波長λＲ、λＧ、λＢの光束を放射する。例えばλＲ＝６４０ｎｍ、λＧ＝５３０ｎｍ、λＢ＝４４５ｎｍである。以下では、発光素子１１１ＲをＬＤ１１１Ｒ、発光素子１１１ＧをＬＤ１１１Ｇ、発光素子１１１ＢをＬＤ１１１Ｂとも表記する。ＬＤ１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂから放射された波長λＲ、λＧ、λＢの光束は、対応するカップリングレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂにより後続の光学系にカップリングされる。カップリングされた光束は、対応するアパーチャ部材１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂにより整形される。各アパーチャ部材の開口形状は、光束の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、正方形等、様々な形状とすることができる。その後、対応するアパーチャ部材で整形された光束は、合成素子１１５により光路合成される。合成素子１１５は、プレート状あるいはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射／透過し、１つの光路に合成する。合成された光束は、レンズ１１９により光偏向器１５の反射面に導かれる。レンズ１１９は、光偏向器１５側に凹面が向くメニスカスレンズである。

《光偏向器の構成》
図５には、光偏向器１５の構成が示されている。光偏向器１５は、半導体プロセスにて製造された２軸のＭＥＭＳスキャナであり、図５に示されるように、反射面を有するミラー１５０と、α軸方向に並ぶ複数の梁を含み、隣り合う２つの梁が折り返し部を介して蛇行するように接続された一対の蛇行部１５２とを有する。各蛇行部１５２の隣り合う２つの梁は、梁Ａ（１５２ａ）、梁Ｂ（１５２ｂ）とされ、枠部材１５４に支持されている。複数の梁には、複数の圧電部材１５６（例えばＰＺＴ）が個別に設けられている。各蛇行部の隣り合う２つの梁の圧電部材に異なる電圧を印加することで、該蛇行部の隣り合う２つの梁が異なる方向に撓み、それが蓄積されて、ミラー１５０がα軸周り（＝垂直方向）に大きな角度で回転することになる。このような構成により、α軸を中心とした垂直方向の光走査が、低電圧で可能となる。一方、β軸を中心とした水平方向では、ミラー１５０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。

ＨＵＤ装置１００からは、瞬間的にはレーザビーム径に相当する点像しか投射されないが、非常に高速に走査させるため、一フレーム画像内では十分に人間の目に残像が残っている。この残像現象を利用することで、運転者には、あたかも「表示エリア」に像を投射させているように知覚される。実際には、スクリーンに映った像が、凹面ミラー４０とフロントウインドシールド５０によって反射されて運転者に「表示エリア」において虚像として知覚される。このような仕組みであるので、像を表示させない場合は、ＬＤの発光を停止すれば良い。つまり、「表示エリア」において虚像が表示される箇所以外の箇所の輝度を実質０にすることが可能となる。

すなわち、ＨＵＤ装置１００による虚像の結像位置は、該虚像を結像可能な所定の「表示エリア」内の任意の位置となる。この「表示エリア」は、ＨＵＤ装置の設計時の仕様で決まる。

このように、「レーザ走査方式」を採用したことにより、表示したい部分以外では、表示の必要がないためＬＤを消灯したり、光量を低下させたりするなどの措置を取ることができる。

これに対して、例えば液晶パネル及びＤＭＤパネルのようなイメージングデバイスで中間像を表現する「パネル方式」では、パネル全体を照明する必要があるため、画像信号としては非表示とするために黒表示であったとしても、液晶パネルやＤＭＤパネルの特性上、完全には０にし難い。このため、黒部が浮き上がって見えることがあったが、レーザ走査方式ではその黒浮きを無くすことが可能となる。

ところで、光源装置１１の各発光素子は、ＦＰＧＡ６００によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御され、ＬＤドライバ６１１１によって駆動され、光を射出する。各発光素子から射出され光路合成された光は、図６に示されるように、光偏向器１５によってα軸周り、β軸周りに２次元的に偏向され、走査ミラー２０（図１参照）を介して走査光としてスクリーン３０に照射される。すなわち、走査光によりスクリーン３０が２次元走査される。なお、図６では、走査ミラー２０の図示が省略されている。

走査光は、スクリーン３０の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向に片道走査する。すなわち、ラスタースキャンが行われる。この際、走査位置（走査光の位置）に応じて各発光素子の発光制御を行うことで画素毎の描画、虚像の表示を行うことができる。

１画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（２次元走査の１周期）は、上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば主走査周期２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとすると、１フレーム分の走査時間は２０ｍｓｅｃとなる。

スクリーン３０は、図７に示されるように、画像が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域３０ａ（有効走査領域）と、該画像領域を取り囲むフレーム領域３０ｂとを含む。

ここで光偏向器１５によって走査しうる全範囲を「走査範囲」と呼ぶ。ここでは、走査範囲は、スクリーン３０における画像領域３０ａとフレーム領域３０ｂの一部（画像領域３０ａの外縁近傍の部分）を併せた範囲とされている。図７には、走査範囲における走査線の軌跡がジグザグ線によって示されている。図７においては、走査線の本数を、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン３０の画像領域３０ａは、例えばマイクロレンズアレイ等の光拡散効果を持つ透過型の素子で構成されている。画像領域は、矩形、あるいは平面である必要はなく、多角形や曲面であっても構わない。また、スクリーン３０は、光拡散効果を持たない平板や曲板であっても良い。また、画像領域は、装置レイアウトによっては例えばマイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の素子とすることもできる。

以下に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照して、スクリーン３０の画像領域に用いられるマイクロレンズアレイにおける拡散と干渉性ノイズ発生について説明する。

図８（Ａ）において、符号８０２はマイクロレンズアレイを示す。マイクロレンズアレイ８０２は、微細凸レンズ８０１を配列した微細凸レンズ構造を有する。符号８０３で示す「画素表示用ビーム」の光束径８０７は、微細凸レンズ８０１の大きさよりも小さい。すなわち、微細凸レンズ８０１の大きさ８０６は、光束径８０７よりも大きい。なお、説明中の形態例で、画素表示用ビーム８０３はレーザ光束であり、光束中心のまわりにガウス分布状の光強度分布をなす。従って、光束径８０７は、光強度分布における光強度が「１／ｅ^２」に低下する光束半径方向距離である。
図８（Ａ）では、光束径８０７は微細凸レンズ８０１の大きさ８０６に等しく描かれているが、光束径８０７が「微細凸レンズ８０１の大きさ８０６」に等しい必要は無い。微細凸レンズ８０１の大きさ８０６を食み出さなければよい。
図８（Ａ）において、画素表示用ビーム８０３は、その全体が１個の微細凸レンズ８０１に入射し、発散角８０５をもつ拡散光束８０４に変換される。なお、「発散角」は、以下において「拡散角」と呼ぶこともある。
図８（Ａ）の状態では、拡散光束８０４は１つで、干渉する光束が無いので、干渉性ノイズは発生しない。なお、発散角８０５の大きさは、微細凸レンズ８０１の形状により適宜設定できる。

図８（Ｂ）では、画素表示用ビーム８１１は、光束径が微細凸レンズの配列ピッチ８１２の２倍となっており、２個の微細凸レンズ８１３、８１４に跨って入射している。この場合、画素表示用ビーム８１１は、入射する２つの微細凸レンズ８１３、８１４により２つの発散光束８１５、８１６のように拡散される。２つの発散光束８１５、８１６は、領域８１７において重なり合い、この部分で互いに干渉して干渉性ノイズを発生する。

図７に戻り、走査範囲における画像領域３０ａの周辺領域（フレーム領域３０ｂの一部）には、同期検知系６０が設置されている。ここでは、同期検知系６０は、画像領域の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部の＋Ｙ側に配置されている。以下では、スクリーン３０の主走査方向をＸ方向とし、副走査方向をＹ方向として説明する。

同期検知系６０は、光偏向器１５の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ６００に出力する。

詳述すると、同期検知系６０は、図９に示されるように、主走査方向（Ｘ方向）に隣接して配置されたＰＤ１、ＰＤ２（２つの受光部）から成るＰＤ対６１と、各ＰＤの出力電流を処理する処理回路６２と、を含む。ここでは、ＰＤ２はＰＤ１の＋Ｘ側に配置されている。ここでは、ＰＤ対６１と処理回路６２は、同一の基板６３上に実装されている。なお、「ＰＤ」は、フォトダイオードの略称である。

ＰＤ対６１上を横切る走査線は、−Ｘ側から＋Ｘ側に向かう（図７参照）。すなわち、ＰＤ１、ＰＤ２の順に光走査される。

各ＰＤは、走査光が照射されると、該走査光の強度に応じた電流を処理回路６２に出力する。

処理回路６２は、ＰＤ１、ＰＤ２からの電流が入力されると、各電流を処理し、同期信号を出力する。

図１０には、同期検知系６０の回路図が示されている。

処理回路６２は、図１０に示されるように、ＰＤ１のアノード（陽極）に入力端が接続された電流アンプ１、該電流アンプ１の出力端に一端が接続されたゲイン抵抗１、ＰＤ２のアノード（陽極）に入力端が接続された電流アンプ２、該電流アンプ２の出力端に一端が接続されたゲイン抵抗２、ゲイン抵抗１の一端に＋側の入力端が接続され、ゲイン抵抗２の一端に−側の入力端が接続されたコンパレータ（比較器）を含む。

なお、各ＰＤのカソード（陰極）は接地されている。各ゲイン抵抗の他端は接地されている。

２つのＰＤ１、２が順次光走査されると、ＰＤ１、２からの電流がそれぞれ電流アンプ１、２へ入力される。ＰＤから出力される電流は微弱でノイズなどの影響を受けやすいため、電流アンプである程度大きな電流値まで増幅されて、ゲイン抵抗１、２に入力される。

電流アンプ１、２からの出力電流は、それぞれ対応するゲイン抵抗により電圧値へ変換され、変換された電圧値はコンパレータに入力され、入力信号の比較結果が最終的に同期信号としてコンパレータから出力される。

ここで、電流アンプ１の出力端には、常時オフセット電圧がかけられ、ＰＤ１に光が入射されない初期状態においてもコンパレータの入力電圧にオフセット電圧分の差をつけることで、コンパレータの発振などを防止している。

ＰＤ１、電流アンプ１、ゲイン抵抗１を含んで光検出器１が構成されている。ＰＤ２、電流アンプ２、ゲイン抵抗２を含んで光検出器２が構成されている。すなわち、光検出器１、２の出力信号（受光信号）がコンパレータで比較される。

同期検知系６０からの同期信号は、ＦＰＧＡ６００に送られる。ＦＰＧＡ６００は、画像データに基づいて色毎の変調信号（パルス信号）を生成し、該変調信号を同期信号のタイミングに基づく所定タイミングでＬＤドライバ６１１１に送る。ＬＤドライバ６１１１は、色毎の変調信号に応じた駆動電流を該色に対応する発光素子に印加する。これにより、画像データに応じたカラー画像（中間像）がスクリーン３０に描画される。

図１１には、ＰＤ１、２を光走査したときの、受光信号１（ＰＤ１の出力電流に基づく電圧信号：Ｃｏｍｐ＋）、受光信号２（ＰＤ２の出力電流に基づく電圧信号：Ｃｏｍｐ−）、同期信号の理想的な信号波形が示されている。図１１では、走査順が領域ａ→領域ｂ→領域ｃ→領域ｄ→領域ｅの順となっている。

まず、領域ａでは、走査光がＰＤ１内へ進むにつれ、ＰＤ１の出力が大きくなる（受光信号１の電位が高くなる）。
領域ｂでは、走査光全体がＰＤ１内に入り、ＰＤ１の出力が一定となる。
領域ｃでは、走査光がＰＤ２内へ進むにつれ、ＰＤ１の出力が低下し、ＰＤ２の出力が大きくなる（受光信号２の電位が高くなる）。
領域ｃで受光信号１、２が交差し、その交差タイミングでコンパレータの出力が反転する。このときのコンパレータからの立下り信号（比較信号）を同期信号として利用する。
領域ｄでは、走査光全体がＰＤ２内に入り、ＰＤ２の出力が一定となる。
領域ｅでは、走査光がＰＤ２外へ進むにつれ、ＰＤ２の出力が小さくなる。

ＰＤ２の出力電流に基づく電圧がオフセット電圧以下になった時点で、コンパレータの出力が反転し、初期状態へと戻る。

理想的な動作では、図１１に示される発光パワーが比較的小さい場合（波形例１）と、図１１に示されるＬＤの発光パワーが比較的大きい場合（波形例２）は、受光信号１、２の最初の交差タイミングが一致し、該交差タイミングにコンパレータから出力される比較信号を同期信号として利用するため、同期信号が出力されるタイミングは一致する。

しかし、実際には、環境温度の変化等に起因するＬＤの発光パワーの変化によるレーザ光の強度分布の変化（特性１）、ＰＤの応答性（特性２）、コンパレータのオーバードライブ特性（特性３）などの影響により理想とは異なる動作となる。

まず、ＬＤの発光パワーの変化によるレーザ光の強度分布の変化（特性１）について説明する。レーザ光の強度分布はガウシアン分布になっており、発光パワーの変化はこの強度分布の相対的な変化となる。発光パワーを増加させると、レーザ光の強度分布が一律に大きくなり（レーザ光の有効径が大きくなり）ＰＤ１とＰＤ２が反応する面積も大きくなるため、波形が立ち上がり始めるポイントが早くなり、立ち下りきるポイントは遅くなる。

次に、ＰＤの応答速度（特性２）について説明する。一般的にフォトダイオードは光が入射したときに電気が発生する時間に対し、光が遮断された後の電荷の放出に時間がかかるため、立ち上がりに比べ立下りの方が、傾斜が緩やかになる。

最後にＰＤ１とＰＤ２の出力を比較して同期信号（比較信号）を出力するコンパレータの特性（特性３）について説明する。コンパレータは、オーバードライブ特性を有し、２つの入力信号（受光信号１、２）の最初の交差後の電位差により、その交差タイミングから信号出力タイミングまでの時間（以下では「ディレイ時間Ｔｄ」や「出力遅延時間Ｔｄ」とも呼ぶ）が変化する。すなわち、コンパレータでは、受光信号１、２の最初の交差後の電位差が小さいとディレイ時間Ｔｄが長くなり、大きいとディレイ時間Ｔｄが短くなる。

図１２には、上記３つの特性１〜３を加味してＬＤの発光パワーを変化させてＰＤ１、２を光走査した場合の受光信号１、２、同期信号の波形例３〜５が示されている。図１２においては、基準時から同期信号の立ち下がり時までの時間（以下では「出力時間」とも呼ぶ）をＴとしている。ここでは、基準時は、一例として光偏向器１５のミラー１５０を動作させる基準となる予め設定されたタイミングであるが、これに限らず、適宜変更可能である。

出力時間Ｔは、基準時から受光信号１、２の最初の交差タイミングまでの時間Ｔｃ（以下では「交差時間Ｔｃ」とも呼ぶ）と、ディレイ時間Ｔｄの和である（図１２参照）。

図１２に示される波形例３は、コンパレータから同期信号が出力され得る最小の発光パワーＰｔｈ（小）でＬＤを駆動したときの各波形である。

この場合、レーザ光の有効径が小さいため２つの受光信号１、２の最初の交差タイミングが遅くなり（交差時間Ｔｃが長くなり）、かつ２つの受光信号１、２の最初の交差後の受光信号１、２の電位差が小さいためディレイ時間Ｔｄも長くなり、同期信号が出力されるタイミングが遅くなる（出力時間Ｔが長くなる）。

図１２に示される波形例４は、発光パワーをＰｔｈよりも大きい発光パワーＰｍ（中）でＬＤを駆動したときの各波形である。

この場合、各受光信号の立ち上りタイミングが早くなり傾斜も急峻になる。これにより、受光信号１、２の最初の交差タイミングが早くなる（交差時間Ｔｃが短くなる）。最初の交差後の受光信号１、２の電位差も大きくなるためコンパレータにおけるディレイ時間Ｔｄも短くなり、波形例３に比べて同期信号が出力されるタイミングは早くなる（出力時間Ｔが短くなる）。

図１２に示される波形例５は、発光パワーＰｍよりも大きい発光パワーＰｎ（大）でＬＤを駆動したときの各波形である。

この場合、受光信号１、２の波形の立ち上り特性は上限電圧による飽和により変化が小さくなるため、受光信号１、２の最初の交差タイミングの変化はほぼなくなる（交差時間Ｔｃの変化がほぼなくなる）。その代わりに、受光信号１、２の立下りが緩やかになるため、最初の交差後の受光信号１、２の電位差が徐々に小さくなる。このため、波形例４とは逆にコンパレータにおけるディレイ時間Ｔｄが長くなり、波形例４に比べて同期信号が出力されるタイミングはやや遅くなる（出力時間Ｔがやや長くなる）。

図１３には、上記３つの特性１〜３を持つ同期検知系６０における発光パワーＰの変化に対する出力時間Ｔの変化を表す関数（「Ｐ−Ｔ曲線」とも呼ぶ）が実線で示され、発光パワーＰの変化に対する交差時間Ｔｃの変化を表す関数（「Ｐ−Ｔｃ曲線」とも呼ぶ）が大破線で示され、発光パワーＰの変化に対するディレイ時間Ｔｄの変化を表す関数（「Ｐ−Ｔｄ曲線」とも呼ぶ）が小破線で示されている。なお、ＰＴ曲線、Ｐ−Ｔｃ曲線、Ｐ−Ｔｄ曲線は、ＬＤやＰＤやコンパレータの仕様を変更しても、概ね図１３に示される形状となる。

まず、Ｐ−Ｔｃ曲線について説明する。図１３に示されるように、発光パワーＰをＰｔｈから徐々に増加させていくと、初期は発光パワーの増加に対する受光信号１、２の電位の増加率が大きいため、交差時間Ｔｃは急激に短くなる。その後、受光信号１、２の波形が飽和するにつれて、徐々に交差時間Ｔｃの変化が小さくなる。

すなわち、Ｐ−Ｔｃ曲線は、発光パワーＰの増加に対して単調減少する。さらに、Ｐ−Ｔｃ曲線は、発光パワーＰに関する微分値の絶対値が発光パワーＰの増加に対して単調減少する。すなわち、Ｐ−Ｔｃ曲線における接線の傾きは、発光パワーＰが大きいほど小さくなる。

次に、Ｐ−Ｔｄ曲線について説明する。図１３に示されるように、発光パワーＰがＰｔｈ付近では、受光信号１、２の最初の交差後の電位差が小さいためＴｄは大きい。発光パワーＰをＰｔｈから徐々に増加させていくと、発光パワーＰが所定パワーＰｒになるまでは受光信号１、２の最初の交差後の電位差が大きくなるためＴｄは徐々に小さくなるが、所定パワーＰｒを超え、受光信号１、２の波形が飽和し始めると、受光信号１、２の最初の交差後の電位差が小さくなるためＴｄは徐々に増加し始める。

すなわち、Ｐ−Ｔｄ曲線は、所定パワーＰｒで極小値Ｔｒをとる下に凸の曲線であり、発光パワーＰに関する微分値の絶対値（接線の傾き）が、所定パワーＰｒ及びＰｒを中心とする近傍範囲で極めて小さく、該近傍範囲よりも小さい発光パワーＰでは比較的大きく、該近傍範囲よりも大きい発光パワーＰでは比較的小さい。

詳述すると、発光パワーＰがＰｒよりも小さいパワー領域において、Ｐ−Ｔｄ曲線の発光パワーＰに関する微分値の絶対値は、発光パワーＰの増加に対して単調減少する。発光パワーＰがＰｒよりも大きいパワー領域において、Ｐ−Ｔｄ曲線の発光パワーＰに関する微分値の絶対値は、発光パワーＰの増加に対して単調増加する。

最後に、出力時間Ｔ（Ｔｃ＋Ｔｄ）について説明する。図１３に示されるように、発光パワーＰをＰｔｈから徐々に増加させていくと、出力時間Ｔは、初期ではＴｃとＴｄの両方の急な減少により急峻に短くなっていき、発光パワーＰが所定パワーＰｓになるとき極小となり、その後、徐々に増加していく。所定パワーＰｓよりも小さいパワー領域では、発光パワーＰの増加に対してＴｃとＴｄが共に短くなるためＴの減少率が大きい。一方、所定パワーＰｓよりも大きいパワー領域では、発光パワーＰの増加に対してＴｃはほぼ一定でＴｄのみが長くなるためＴの増加率が小さい。

すなわち、Ｐ−Ｔ曲線は、所定パワーＰｓで極小値Ｔｓをとる下に凸の曲線であり、発光パワーＰに関する微分値の絶対値（接線の傾き）が、所定パワーＰｓ及びＰｓを中心とする近傍範囲（「Ｐｓ近傍範囲」とも呼ぶ）で極めて小さく、該近傍範囲よりも小さい発光パワーＰでは比較的大きく、該近傍範囲よりも大きい発光パワーＰでは比較的小さい。

詳述すると、発光パワーＰがＰｓよりも小さいパワー領域において、Ｐ−Ｔ曲線の発光パワーＰに関する微分値の絶対値は、発光パワーＰの増加に対して単調減少する。発光パワーＰがＰｓよりも大きいパワー領域において、Ｐ−Ｔ曲線の発光パワーＰに関する微分値の絶対値は、発光パワーＰの増加に対して単調増加する。

ここで、発光パワーＰがＰｓよりも大きいパワー領域においてＰ−Ｔ曲線の発光パワーＰに関する微分値の絶対値は、ＬＤの仕様規格によって定められた最大許容入力電流（最大定格電流）によって決まる最大発光パワーＰｍａｘ（図１４参照）で最大となる。その最大値をＤｍａｘとする。そこで、発光パワーＰがＰｓよりも小さいパワー領域においてＰ−Ｔ曲線の発光パワーＰに関する微分値の絶対値がＤｍａｘとなる発光パワーをＰｕ（＜Ｐｓ）としたときに、上記Ｐｓ近傍範囲を「Ｐｕ〜（２Ｐｓ−Ｐｕ）」と定義しても良い。そして、Ｐｓ近傍範囲内におけるＰｓ以外の発光パワーＰを「Ｐｓ近傍の発光パワーＰ」とも呼ぶ。

また、Ｐ−Ｔ曲線では、発光パワーＰｓ＋ξでの微分値の絶対値Ｄ＋と、発光パワーＰｓ−ξでの微分値の絶対値Ｄ−について、Ｄ＋＜Ｄ−の関係が成立している。

ところで、環境温度の変化等により、ＬＤの発光パワーＰは、目標値Ｐｔからずれ、これによって出力時間Ｔが変動してしまう。特に、車両等の移動体に搭載されるＨＵＤ装置に用いられるＬＤでは、移動体の位置の変化や時間（朝、昼、夜）による環境温度の変化が大きく、発光パワーＰの目標値Ｐｔからのずれが大きくなる。このため、出力時間Ｔの変動も大きくなる。出力時間Ｔの変動は、ＨＵＤ装置による画像描画に影響を及ぼすため、極力低減することが望まれる。

図１４には、Ｐ−Ｔ曲線における異なるパワー領域毎の発光パワーＰの変動幅と該変動幅に対する出力時間Ｔの変動幅の関係が示されている。

図１４に示されるように、発光パワーＰの目標値ＰｔがＰｓ近傍範囲よりも小さい発光パワーＰ１に設定されたとき、発光パワーＰのＰ１を中心とした変動幅ΔＰに対する出力時間Ｔの変動幅はΔｔ１である。

また、発光パワーＰの目標値ＰｔがＰｓ近傍範囲内におけるＰｓよりも小さい発光パワーＰ２に設定されたとき、発光パワーＰのＰ２を中心とした変動幅ΔＰに対する出力時間Ｔの変動幅はΔｔ２（＜Δｔ１）である。

また、発光パワーＰの目標値ＰｔがＰｓ近傍範囲内におけるＰｓよりも大きい発光パワーＰ３に設定されたとき、発光パワーＰのＰ３（但し、Ｐ３−Ｐｓ＝Ｐｓ−Ｐ２）を中心とした変動幅ΔＰに対する出力時間Ｔの変動幅はΔｔ３（＜Δｔ２）である。

また、発光パワーＰの目標値ＰｔがＰｓ近傍範囲よりも大きい発光パワーＰ４に設定されたとき、発光パワーＰのＰ４を中心とした変動幅ΔＰに対する出力時間Ｔの変動幅はΔｔ４である。
結果として、Δｔ３＜Δｔ２＜Δｔ４＜Δｔ１となる。

そこで、少なくともＰＤ対６１を光走査するときに、発光パワーＰの目標値ＰｔをＰｓ以上の値（例えばＰ３やＰ４）に設定することで、発光パワーＰをＰｕ未満（例えばＰ１）に設定する場合よりも、発光パワーの変動幅ΔＰに対する同期信号の出力時間Ｔの変動幅Δｔを小さくすることができる。

また、少なくともＰＤ対６１を光走査するときに、発光パワーＰの目標値ＰｔをＰｓ近傍範囲内（例えばＰ２やＰ３）に設定することで、発光パワーＰをＰｕ未満（例えばＰ１）に設定する場合よりも、発光パワーの変動幅ΔＰに対する同期信号の出力時間Ｔの変動幅Δｔを小さくすることができる。

また、少なくともＰＤ対６１を光走査するときに、発光パワーＰの目標値ＰｔをＰｕ以上の値（例えばＰ２やＰ３やＰ４）に設定することで、発光パワーＰをＰｕ未満（例えばＰ１）に設定する場合よりも、発光パワーの変動幅ΔＰに対する同期信号の出力時間Ｔの変動幅Δｔを小さくすることができる。

なお、これらの場合において、目標値Ｐｔを大きくするほど電力消費が大きくなり、かつゴースト光（装置内で反射、散乱される不要光）の光量が増大するため、目標値ＰｔをＰｓもしくはＰｓに極力近い値（例えばＰ３やＰ２）に設定することが望ましい。

次に、発光パワー目標値設定工程について、図１５のフローチャートを参照して説明する。発光パワー目標設定工程は、ＨＵＤ装置１００の製造時に作業者によって行われる。

最初のステップＳ１では、発光パワーＰの変化に対する出力時間Ｔの変化を表す関数（Ｐ−Ｔ曲線）を求める。具体的には、ＨＵＤ装置１００において、３つのＬＤ１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂのうち一のＬＤ（以下では「同期点灯ＬＤ」とも呼ぶ）の発光パワーＰをＰｔｈ〜Ｐｍａｘの間で変化させて発光パワー毎の出力時間Ｔのデータを得る。このデータがプロットされたものがＰ−Ｔ曲線である。

次のステップＳ２では、関数（Ｐ−Ｔ曲線）が極小値Ｔｓをとる所定パワーＰｓを基準に発光パワーＰの目標値Ｐｔを設定する。具体的には、ＰｔをＰｕ以上（好ましくはＰｓ近傍）に設定し、その設定値をＲＡＭ６０６に保存する。

なお、以上説明した発光パワー目標値設定工程は、例えばＨＵＤ装置１００の製造時に加えてメンテナンス時に行われても良い。

次に、ＨＵＤ装置１００を用いる画像表示処理について、図１６を参照して説明する。画像表示処理は、上記発光パワー目標値設定工程が行われ自動車に搭載されたＨＵＤ装置１００の電気系統がＯＮになったときに開始される。図１６のフローチャートは、ＦＰＧＡ６００によって実行される処理アルゴリズムに基づいている。

最初のステップＳ１１では、目標値Ｐｔを目標にＬＤ（同期点灯ＬＤ）を発光させて、光検出器１、２の受光部（ＰＤ１、２）を光走査する。具体的には、ＰＤ１、２を光走査するときに、ＲＡＭ６０６に保存された目標値Ｐｔを読み出し、該目標値Ｐｔに応じた変調信号を生成し、ＬＤドライバ６１１１を介して同期点灯ＬＤに駆動電流を印加し、該同期点灯ＬＤを目標値Ｐｔに応じた発光光量（Ｐｔを中心にΔＰの変動幅）で発光させる。

次のステップＳ１２では、コンパレータの比較信号を同期信号として取得する。具体的には、光検出器１、２からの受光信号１、２が入力されたコンパレータからの比較信号を同期信号として取得する。

次のステップＳ１３では、画像領域の書き出しタイミング及び各ラインの書き込み開始、終了タイミングを決定する。具体的には、同期信号のタイミング、水平同期周波数、垂直同期周波数に基づいて当該フレームの書き出しタイミング及びライン毎の書き込み開始、終了タイミングを決定する。

次のステップＳ１４では、画像領域を光走査する。具体的には、画像データに基づいて色毎の変調信号を生成し、該変調信号を同期信号のタイミングに基づく所定タイミングでＬＤドライバ６１１１に送る。このとき、ＬＤドライバ６１１１は、色毎の変調信号に応じた駆動電流を該色に対応するＬＤに印加する。これにより、画像データに応じた画像がスクリーン３０に描画され、ひいては該画像の虚像がフロントウインドシールド５０を介して視認可能となる。なお、画像領域を光走査するときのＬＤの発光パワーは、Ｐｓ以上、Ｐｓ未満のいずれであっても良いし、Ｐｕ以上、Ｐｕ未満のいずれであっても良い。

次のステップＳ１５では、処理終了であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップＳ１１に戻る。具体的には、ここでの判断は自動車の電気系統がＯＦＦになったときに肯定され、ＯＮのままのときに否定される。

以上の説明から分かるように、画像表示処理では、通常、ステップＳ１１〜ステップＳ１５が１フレーム毎に繰り返されることになる。

以上説明した本実施形態の光走査装置１０は、走査範囲を光走査する光走査装置であって、ＬＤ（光源）と、ＬＤからの光の光路上に配置された、光偏向器１５及び走査ミラー２０を含む光走査系と、走査範囲に受光部が主走査方向に並べて配置された光検出器１、２と、光検出器１、２の受光信号１、２を比較して同期信号を出力するコンパレータと、を備え、光検出器１、２の受光部（ＰＤ１、２）が光走査されるときのＬＤの発光パワーＰの目標値Ｐｔが、基準時から比較信号の出力時までの時間Ｔが極小値ＴｓをとるＬＤの発光パワーＰｓに基づいて設定されている。

この場合、例えばＰｓを基準に設定された、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔの変化が小さいパワー領域でＬＤを発光させることができる。

この結果、比較信号の出力タイミングのずれを低減できる。

なお、光検出器１、２の受光部は主走査方向に隣接して配置されることが好ましいが、これに限らず、要は、受光信号１の立ち下りと受光信号２の立ち上りが交差すれば良く、光検出器１、２の受光部の間に多少隙間があっても良い。

また、目標値Ｐｔは、Ｐｓ以上に設定されていることが好ましい。この場合、比較信号の出力タイミングのずれを安定して低減できる。また、目標値Ｐｔは、Ｐｓ近傍に設定されていることが好ましい。この場合、比較信号の出力タイミングのずれを極力低減できる。

また、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔの変化を表す関数（Ｐ−Ｔ曲線）において発光パワーＰがＰｓよりも大きいパワー領域での発光パワーＰに関する微分値の絶対値の最大値をＤｍａｘとし、関数（Ｐ−Ｔ曲線）において発光パワーＰがＰｓよりも小さいパワー領域での発光パワーＰに関する微分値の絶対値がＤｍａｘとなる発光パワーＰをＰｕとしたときに、目標値ＰｔはＰｕ〜（２Ｐｓ−Ｐｕ）の範囲内に設定されることが好ましい。この場合、比較信号の出力タイミングのずれを低減できる。

さらに、目標値ＰｔがＰｕよりも小さいパワーに設定されたときの発光パワーＰの変化幅ΔＰに対する時間Ｔの変化幅をΔｔａとし、目標値ＰｔがＰｕ〜（２Ｐｓ−Ｐｕ）の範囲内に設定されたときの発光パワーの変化幅ΔＰに対する時間Ｔの変化幅をΔｔｂとしたときに、Δｔａ＞Δｔｂが成立することが好ましい。この場合、比較信号の出力タイミングのずれを確実に低減できる。

また、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔの変化を表す関数（Ｐ−Ｔ曲線）において発光パワーＰがＰｓよりも大きいパワー領域での発光パワーＰに関する微分値の絶対値の最大値をＤｍａｘとし、関数（Ｐ−Ｔ曲線）において発光パワーＰがＰｓよりも小さいパワー領域での発光パワーＰに関する微分値の絶対値がＤｍａｘとなる発光パワーＰをＰｕとしたときに、目標値ＰｔはＰｕ以上に設定されることが好ましい。この場合、比較信号の出力タイミングのずれを低減できる。

さらに、目標値ＰｔがＰｕよりも小さいパワーに設定されたときの発光パワーＰの変化幅ΔＰに対する時間Ｔの変化幅をΔｔｃとし、目標値ＰｔがＰｕ以上のパワーに設定されたときの発光パワーＰの変化幅ΔＰに対する時間Ｔの変化幅をΔｔｄとしたときに、Δｔｃ＞Δｔｄが成立することが好ましい。この場合、比較信号の出力タイミングのずれを確実に低減できる。

また、時間Ｔは、基準時から光検出器１、２の受光信号１、２の最初の交差時までの時間Ｔｃと、コンパレータにおける出力遅延時間Ｔｄの和である。

また、時間Ｔｃは、コンパレータから比較信号が出力され得る最小のパワーＰｔｈからの発光パワーＰの増加に対して単調減少する。

また、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔｃの変化を表す関数（Ｐ−Ｔｃ曲線）は、εを正数として、発光パワーＰがＰｓ−εでの微分値の絶対値が、発光パワーがＰｓ＋εでの微分値の絶対値よりも大きい。但し、Ｐｓ＋εは、ＬＤの最大定格出力以下である。

また、時間Ｔｄは、コンパレータから比較信号が出力され得る最小のパワーＰｔｈからの発光パワーＰの増加に対してＰｓ未満の所定パワーＰｒで極小値をとるように変化する。

また、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔｄの変化を表す関数（Ｐ−Ｔｄ曲線）は、δを正数として、発光パワーＰがＰｒ−δでの微分値の絶対値が、発光パワーＰがＰｒ＋δでの微分値の絶対値よりも大きい。但し、Ｐｒ＋δは、ＬＤの最大定格出力以下である。

また、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔの変化を表す関数（Ｐ−Ｔ曲線）は、ξを正数として、発光パワーＰがＰｓ−ξでの微分値の絶対値が、発光パワーＰがＰｓ＋ξでの微分値の絶対値よりも大きい。但し、Ｐｓ＋ξは、ＬＤの最大定格出力以下である。

また、ＨＵＤ装置１００は、光走査装置１０と、光検出器１、２の受光部が光走査されるときに目標値Ｐｔを目標としてＬＤを発光させるＦＰＧＡ６００を含む制御系と、を備えている。そして、制御系は、コンパレータからの比較信号に基づいてＬＤの点消灯を制御する。この場合、視認性の良い虚像を表示できる。

また、ＨＵＤ装置１００と、該ＨＵＤ装置１００が搭載される自動車（移動体）と、を備える物体装置によれば、運転者に視認性の良い情報を提供できる。

また、本実施形態の光走査方法は、光走査装置１０を用いて有効走査領域とその周辺領域を走査する光走査方法であって、目標値Ｐｔを目標としてＬＤを発光させ、光検出器１、２の受光部を光走査する工程と、コンパレータから出力された比較信号に基づいてＬＤの点消灯を制御して有効走査領域を光走査する工程と、を含む。

この場合、例えば所定パワーＰｓを基準に設定された、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔの変化が小さいパワー領域でＬＤを発光させることができる。

この結果、同期信号（比較信号）の出力タイミングのずれを低減できる。

また、本実施形態の同期信号取得方法は、主走査方向に並べて配置された、光検出器１、２の受光部（ＰＤ１、２）をＬＤ（光源）からの光により走査して光検出器１、２の受光信号（検出信号）が入力されるコンパレータの比較信号を同期信号として取得する同期信号取得方法であって、ＬＤの発光パワーの変化に対する、基準時から比較信号の出力時までの時間Ｔの変化を表す関数（Ｐ−Ｔ曲線）を求める工程と、光検出器１、２の受光部が光走査されるときのＬＤの発光パワーの目標値Ｐｔを、上記関数において時間Ｔが極小値Ｔｓをとる所定パワーＰｓに基づいて設定する工程と、を含む。

この場合、例えば所定パワーＰｓを基準に設定された、発光パワーＰの変化に対する時間Ｔの変化が小さいパワー領域でＬＤを発光させることができる。

この結果、同期信号（比較信号）の出力タイミングのずれを低減できる。

《レーザプリンタ》
図１７には、本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ５００の概略構成が示されている。

このレーザプリンタ５００は、光走査装置９００、感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、クリーニングブレード９０５、給紙トレイ９０６、給紙コロ９０７、レジストローラ対９０８、転写チャージャ９１１、除電ユニット９１４、定着ローラ９０９、排紙ローラ９１２、及び排紙トレイ９１０などを備えている。

帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写チャージャ９１１、除電ユニット９１４及びクリーニングブレード９０５は、それぞれ感光体ドラム９０１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム９０１の回転方向に関して、帯電チャージャ９０２→現像ローラ９０３→転写チャージャ９１１→除電ユニット９１４→クリーニングブレード９０５の順に配置されている。

感光体ドラム９０１の表面には、感光層が形成されている。ここでは、感光体ドラム９０１は、図１８における面内で時計回り（矢印方向）に回転するようになっている。

帯電チャージャ９０２は、感光体ドラム９０１の表面を均一に帯電させる。

以上のように構成されるレーザプリンタ５００でも、走査範囲内における有効走査領域の周辺領域に同期検知系６０が配置され（図１８参照）、図１５に示される発光パワー目標値設定工程と同様の発光パワー目標値設定工程が行われ、設定された発光パワーの目標値を用いて図１６に示される画像表示処理と同様の画像形成処理が行われる。

光走査装置９００は、帯電チャージャ９０２で帯電された感光体ドラム９０１の表面に、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光を照射する。これにより、感光体ドラム９０１の表面では、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム９０１の表面に形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って現像ローラ９０３の方向に移動する。なお、この光走査装置９００の構成については後述する。

トナーカートリッジ９０４にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ９０３に供給される。

現像ローラ９０３は、感光体ドラム９０１の表面に形成された潜像にトナーカートリッジ９０４から供給されたトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って転写チャージャ９１１の方向に移動する。

給紙トレイ９０６には記録紙９１３が格納されている。この給紙トレイ９０６の近傍には給紙コロ９０７が配置されており、該給紙コロ９０７は、記録紙９１３を給紙トレイ９０６から１枚づつ取り出し、レジストローラ対９０８に搬送する。該レジストローラ対９０８は、転写チャージャ９１１の近傍に配置され、給紙コロ９０７によって取り出された記録紙９１３を一旦保持するとともに、該記録紙９１３を感光体ドラム９０１の回転に合わせて感光体ドラム９０１と転写チャージャ９１１との間隙に向けて送り出す。

転写チャージャ９１１には、感光体ドラム９０１の表面上のトナーを電気的に記録紙９１３に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム９０１の表面の潜像が記録紙９１３に転写される。ここで転写された記録紙９１３は、定着ローラ９０９に送られる。

この定着ローラ９０９では、熱と圧力とが記録紙９１３に加えられ、これによってトナーが記録紙９１３上に定着される。ここで定着された記録紙９１３は、排紙ローラ９１２を介して排紙トレイ９１０に送られ、排紙トレイ９１０上に順次スタックされる。

除電ユニット９１４は、感光体ドラム９０１の表面を除電する。

クリーニングブレード９０５は、感光体ドラム９０１の表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。なお、除去された残留トナーは、再度利用されるようになっている。残留トナーが除去された感光体ドラム９０１の表面は、再度帯電チャージャ９０２の位置に戻る。

《光走査装置》
次に、前記光走査装置９００の構成及び作用について図１８を用いて説明する。

この光走査装置９００は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）がアレイ状に複数配置された面発光レーザアレイを含む光源ユニット９５０、カップリングレンズ９５１、アパーチャ９５２、シリンドリカルレンズ９５３、ポリゴンミラー９５４、ｆθレンズ９５５、トロイダルレンズ９５６、２つのミラー（９５７、９５８）、同期検知系６０及び上記各部を統括的に制御する不図示の主制御装置を備えている。なお、光源ユニットは、ＶＣＳＥＬに代えて例えばＬＤ等の他の光源を含んでも良い。

前記カップリングレンズ９５１は、光源ユニット９５０から射出された光ビームを略平行光に整形する。

前記アパーチャ９５２は、カップリングレンズ９５１を介した光ビームのビーム径を規定する。

前記シリンドリカルレンズ９５３は、アパーチャ９５２を通過した光ビームをミラー９５７を介してポリゴンミラー９５４の反射面に集光する。

前記ポリゴンミラー９５４は、高さの低い正六角柱状部材からなり、側面には６面の偏向面が形成されている。そして、不図示の回転機構により、図１５に示される矢印の方向に一定の角速度で回転されている。したがって、光源ユニット９５０から射出され、シリンドリカルレンズ９５３によってポリゴンミラー９５４の偏向面に集光された光ビームは、ポリゴンミラー９５４の回転により一定の角速度で偏向される。

前記ｆθレンズ９５５は、ポリゴンミラー９５４からの光ビームの入射角に比例した像高をもち、ポリゴンミラー９５４により一定の角速度で偏向される光ビームの像面を、主走査方向に対して等速移動させる。

前記トロイダルレンズ９５６は、ｆθレンズ９５５からの光ビームをミラー９５８を介して、感光体ドラム９０１の表面上に結像する。

同期検知系６０の光検出器１、２の受光部（ＰＤ１、２）は、一例としてポリゴンミラー９５４からｆθレンズ９５５を介して有効走査領域の周辺領域に偏向された光の光路上に主走査方向に並べて配置されている。ここでも発光パワー目標値設定処理で設定された発光パワーの目標値Ｐｔに基づいて面発光レーザが発光され、ＰＤ１からＰＤ２の順に光走査される。この結果、同期信号（比較信号）の出力タイミングのずれを低減できる。

以上説明したレーザプリンタ５００は、感光体ドラム９０１（像担持体）と、該感光体ドラム９０１の表面を走査する光走査装置９００と、を備えているため、再現性良く画像を形成することができる。

なお、本発明の光走査装置は、感光体ドラムを複数備えるカラープリンタやカラー複写機等の画像形成装置にも適用可能である。このようなカラー対応の画像形成装置には、例えばポリゴンミラーを共用する複数の光走査装置を設けても良い。

また、上記実施形態では、図１５に示される発光パワー目標値設定工程は、ＨＵＤ装置１００の製造時に作業者によって行われているが、これに加えて又は代えて、例えばＦＰＧＡ６００を含む制御系が光走査装置１０を制御して定期又は不定期に行っても良い。

また、同期検知系は、ＰＤ１、２と、ＰＤ１、２からの電流をそれぞれ電圧に変換する電流電圧変換器１、２と、該電圧をそれぞれ増幅してコンパレータに出力するオペアンプ１、２とを含んで構成することもできる。

また、同期検知系は、走査範囲内の有効走査領域外（有効走査領域の周辺領域）の複数箇所に設置されても良い。同期検知系の個数を複数にすると単数の場合よりもコスト高となるが、走査タイミングを精度良く検出でき、またいずれかの光検出器に不具合が生じたときにも走査タイミングを検出できるメリットがある。また、同期検知系は、３つ以上のＰＤを含んでも良い。

また、同期検知系は、ＰＤの代わりに、例えばフォトトランジスタ等の他の受光素子を含んでも良い。

また、上記実施形態のＨＵＤ装置では、光走査装置の偏向手段として光偏向器１５（２軸のＭＥＭＳスキャナ）を用いているが、１軸周りに揺動可能な微小ミラーを含むＭＥＭＳスキャナを２つ組み合わせたものを用いても良い。また、単一もしくは２つのスキャナとして、ＭＥＭＳスキャナに代えて、例えばガルバノスキャナを用いても良い。

また、上記実施形態では、投光部は、凹面ミラー４０から構成されているが、これに限らず、例えば、凸面鏡から構成されても良い。

また、上記実施形態のＨＵＤ装置は、走査ミラー２０を有しているが、有していなくても良い。すなわち、光偏向器１５で偏向された光を、光路を折り返さずに、スクリーン３０に直接照射もしくは凸面レンズを介して照射するようにしても良い。また、走査ミラー２０として平面鏡を用いても良い。

また、上記実施形態のＨＵＤ装置では、光源としてＬＤを用いているが、例えばＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）等の他の光源を用いても良い。

また、透過反射部材は、移動体のフロントガラスに限らず、例えばサイドガラス、リアガラス等であっても良く、要は、透過反射部材は、移動体に設けられ、移動体の搭乗者が該移動体の外部を視認するための窓部材（ウインドシールド）であることが好ましい。

また、上記実施形態では、画像表示装置（ＨＵＤ）は、例えば車両、航空機、船舶等の移動体に搭載用のものとして説明したが、要は、物体に搭載されるものであれば良い。なお、「物体」は、移動体の他、恒常的に設置されるものや運搬可能なものを含む。

また、本発明の画像表示装置は、移動体に搭載されるＨＵＤ装置のみならず、利用者が画像や虚像を観察することを目的とした例えばヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置等の電子機器に適用可能である。

例えば、プロジェクタ装置に適用する場合には、該プロジェクタ装置をＨＵＤ装置１００と同様に構成することができる。すなわち、凹面ミラー４０を介した画像光を映写幕や壁面等に投影すれば良い。なお、凹面ミラー４０を設けずにスクリーン３０を介した画像光を映写幕や壁面等に投影しても良い。また、凹面ミラー４０の代わりに自由曲面ミラーを設けても良い。

また、上記実施形態に記載した具体的な数値、形状等は、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更である。

以下に、発明者が、上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。

従来、画像形成や画像表示に用いられる光走査装置において、各フレームや各ラインの同期を行うため、同期検知ＩＣなどのセンサを用いて、レーザ光の通過時刻を検出し同期信号として利用している。

このような同期検知ＩＣを用いた同期検知方式の場合、走査されるレーザ光のパワーが変動すると同期検知ＩＣから出力される同期信号のタイミングも変化して画像の乱れが発生する。

レーザ光のパワー変動に対して、同期検出信号の時間変動量を抑える技術として、同期検知ＩＣ内部に２つのＰＤを配置し、その２つのＰＤの差分を判定する２素子同期検知ＩＣを利用する方法が既に知られている。

また、特許文献１（特開２００７−１４４８００号公報）には、往復走査を行う走査光学系において走査方向を判定する目的で、一般的な２素子同期検知ＩＣに比較回路を追加することで、往復走査の方向を判定し同期信号の精度を向上させる構成が開示されている。

しかし、特許文献１等の従来技術では、レーザ光のパワー変動に対する同期信号の出力タイミングの変動を抑制できないという問題があった。

そこで、発明者らは、この問題を解決すべく上記実施形態を発案した。

１０…光走査装置、１１…光源装置、１５…光偏向器、３０…スクリーン、４０…凹面ミラー（投光部）、５０…フロントウインドシールド（透過反射部材）、１００…ＨＵＤ装置（画像表示装置）、１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ…発光素子（光源）、５００…レーザプリンタ（画像形成装置）、６００…ＦＰＧＡ（制御系の一部）、９００…光走査装置。

特開２００７‐１４４８００号公報

Claims (18)

1. 走査範囲を光走査する光走査装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光の光路上に配置された光走査系と、
   前記走査範囲に受光部が主走査方向に並べて配置された第１及び第２の光検出器と、
   前記第１及び第２の光検出器の検出信号を比較して比較信号を出力する比較器と、を備え、
   前記第１及び第２の光検出器の受光部が光走査されるときの前記光源の発光パワーの目標値が、基準時から前記比較信号の出力時までの時間Ｔが極小値をとる前記光源の発光パワーＰｓに基づいて設定されていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記目標値は、Ｐｓ以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記目標値は、Ｐｓ近傍に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記発光パワーの変化に対する前記時間Ｔの変化を表す関数において前記発光パワーがＰｓよりも大きいパワー領域での前記発光パワーに関する微分値の絶対値の最大値をＤｍａｘとし、
   前記関数において前記発光パワーがＰｓよりも小さいパワー領域での前記発光パワーに関する微分値の絶対値がＤｍａｘとなる発光パワーをＰｕとしたときに、
   前記目標値はＰｕ〜（２Ｐｓ−Ｐｕ）の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１又は３に記載の光走査装置。
5. 前記目標値がＰｕよりも小さいパワーに設定されたときの前記発光パワーの変化幅ΔＰに対する前記時間Ｔの変化幅をΔｔａとし、
   前記目標値がＰｕ〜（２Ｐｓ−Ｐｕ）の範囲内に設定されたときの前記発光パワーの変化幅ΔＰに対する前記時間Ｔの変化幅をΔｔｂとしたときに、
   Δｔａ＞Δｔｂが成立することを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
6. 前記発光パワーの変化に対する前記時間Ｔの変化を表す関数において前記発光パワーがＰｓよりも大きいパワー領域での前記発光パワーに関する微分値の絶対値の最大値をＤｍａｘとし、
   前記関数において前記発光パワーがＰｓよりも小さいパワー領域での前記発光パワーに関する微分値の絶対値がＤｍａｘとなる発光パワーをＰｕとしたときに、
   前記目標値はＰｕ以上に設定されることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
7. 前記目標値がＰｕよりも小さいパワーに設定されたときの前記発光パワーの変化幅ΔＰに対する前記時間Ｔの変化幅をΔｔｃとし、
   前記目標値がＰｕ以上のパワーに設定されたときの前記発光パワーの変化幅ΔＰに対する前記時間Ｔの変化幅をΔｔｄとしたときに、
   Δｔｃ＞Δｔｄが成立することを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
8. 前記時間Ｔは、前記基準時から前記第１及び第２の光検出器の検出信号の最初の交差時までの時間Ｔｃと、前記比較器における出力遅延時間Ｔｄの和であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光走査装置。
9. 前記時間Ｔｃは、前記比較器から比較信号が出力され得る最小のパワーからの前記発光パワーの増加に対して単調減少することを特徴とする請求項８に記載の光走査装置。
10. 前記発光パワーの変化に対する前記時間Ｔｃの変化を表す関数は、εを正数として、前記発光パワーがＰｓ−εでの微分値の絶対値が、前記発光パワーがＰｓ＋εでの微分値の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項８又は９に記載の光走査装置。
11. 前記時間Ｔｄは、前記比較器から比較信号が出力され得る最小のパワーからの前記発光パワーの増加に対してＰｓ未満の所定パワーＰｒで極小値をとるように変化することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の光走査装置。
12. 前記発光パワーの変化に対する前記時間Ｔｄの変化を表す関数は、δを正数として、前記発光パワーがＰｒ−δでの微分値の絶対値が、前記発光パワーがＰｒ＋δでの微分値の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の光走査装置。
13. 前記発光パワーの変化に対する前記時間Ｔの変化を表す関数は、ξを正数として、前記発光パワーがＰｓ−ξでの微分値の絶対値が、前記発光パワーがＰｓ＋ξでの微分値の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光走査装置。
14. 請求項１〜１３に記載の光走査装置と、
    前記第１及び第２の光検出器の受光部が光走査されるときに、前記目標値を目標として前記光源を発光させる制御系と、を備える装置。
15. 前記制御系は、前記比較信号に基づいて前記光源の点消灯を制御することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の装置と、
    前記装置が搭載される物体と、を備える物体装置。
17. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光走査装置を用いて有効走査領域とその周辺領域を走査する光走査方法であって、
    前記目標値を目標として前記光源を発光させ、前記第１及び第２の光検出器の受光部を光走査する工程と、
    前記比較器から出力された比較信号に基づいて前記光源の点消灯を制御して前記有効走査領域を光走査する工程と、を含む光走査方法。
18. 主走査方向に並べて配置された、第１及び第２の光検出器の受光部を光源からの光により走査して前記第１及び第２の光検出器の検出信号が入力される比較器の比較信号を同期信号として取得する同期信号取得方法であって、
    前記光源の発光パワーの変化に対する、基準時から前記比較信号の出力時までの時間の変化を表す関数を求める工程と、
    前記第１及び第２の光検出器の受光部が光走査されるときの前記光源の発光パワーの目標値を、前記時間が極小値をとる所定パワーに基づいて設定する工程と、を含む同期信号取得方法。

Images