JP4574394B2 - 走査型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から射出した光束を２次元走査することにより画像を表示する走査型画像表示装置に関する。

現在、頭部装着型ディスプレイ装置やデジタルカメラ等の電子ビューファンダーシステムなどの画像表示装置としては、透過型液晶、反射型液晶、または有機ＥＬ素子などの２次元表示素子と接眼光学系とを組み合わせて、２次元表示素子上の画像を虚像として観察するように構成されたものがある。

近年、そのような画像表示装置はより高精細な画像が要求されている。このような要求に対して、前述の２次元表示素子では表示素子上に必要な画素数に対応する画素を製作しなければならないため、画素数が増えた分だけ画素欠陥が増加したり、２次元表示素子の大きさに対して相対的に画素が小さくなり製造が困難になったりするなどの問題が生じていた。また、１次元表示素子と走査手段を組み合わせて、１次元表示素子上の表示する画像と走査の同期を取ることにより２次元の表示を行い、その画像を観察光学系で観察する画像表示装置も提案されている。この場合も、高解像度化に対応するためには１次元表示素子の画素数が増えることになり、２次元表示素子の場合と基本的に同様な問題が生じていた。

一方、前述の２次元表示素子あるいは１次元表示素子を用いるのではなく、光源からの発光した光束を２次元の光走査手段を用いて走査することにより画像を表示する画像表示装置が、特許文献１などにて開示・提案されている。特許文献１は、赤、青、緑の光束を水平方向と垂直方向の２次元方向に走査し、光学系を介して網膜上に直接画像を形成する技術を示している。

このような表示技術は、１光束を走査するために、２次元、あるいは１次元の画像表示素子のように必要な解像度にあわせて画素を形成する必要がなく、また原理的に画素欠陥というものが発生しないという特徴を有している。

このような走査型の画像表示装置を実現するにあたって、光走査手段として半導体プロセスにより製造された微小機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＳＹＳＴＥＭ： 以下ＭＥＭＳ）が注目を集めている。ＭＥＭＳ技術で製造された光走査手段は、小型軽量でありかつ高速で動作可能なものであり、こうした特長が画像表示装置として適している。こうしたＭＥＭＳ技術による光走査手段として、プレーナ型ガルバノミラーおよびその製造方法〔特許文献２〕や光偏向素子〔特許文献３〕などが開示・提案されている。また同様に、非特許文献１においては、頭部装着型表示装置用の２次元走査手段のＭＥＭＳが紹介されている。これらのＭＥＭＳ技術による光走査手段は、光を反射する面をトーションバーなどで共振動作させその際に生じるねじれを利用して、光を反射する面を傾斜させその反射面に入射する光を偏向し走査するものである。ねじれを利用するため、光を反射する面は回転ではなく揺動するものである。このような反射面が揺動動作する光走査手段を用いる場合、揺動動作の往路と復路、つまり、右から左へ走査するときと左から右へと走査するときの両方を利用するほうが、走査線の本数を増やすことができ、光を有効に利用できることになる。以後、このような走査を往復走査と呼ぶことにする。この往復走査に、往復走査方向とは垂直方向の走査を加えることで、２次元の往復ラスタ走査が実現できる。このように往復ラスタ走査において画像を表示する場合、往路と復路における画像描画の同期をとることが重要になる。

また、このような揺動動作による走査は正弦的な運動となるため、偏向の振幅が大きくなると速度が低下し、最大振幅時に速度が停止する。このため、全走査角（全偏向角）に対して、画像を形成する走査領域（実効走査領域）は、全走査角よりも少なく設定する必要がある。

そうした走査型画像表示装置や往復走査の同期方式に関して、投影型ディスプレイ装置〔特許文献４〕、光走査装置、光走査装置に用いられる振動体および光走査装置を備えた画像形成装置〔特許文献５〕、光走査装置〔特許文献６〕、光走査装置およびアクチュエータ〔特許文献７〕などが開示、提案されている。

特許文献４は、１次元画像を偏向ミラーで偏向走査し２次元画像として投影するディスプレイ装置における同期に関するものであり、一定の角度、一定の周期で振動する偏向ミラーの変位角度を偏向ミラーに取りつられた検出器で検出し、その信号をもとに同期のタイミングを生成している。

また、特許文献５では、ＭＥＭＳ、マイクロミラーを応用した光走査型表示装置の技術が開示されている。特許文献５では、Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザ光源からの光束を色合成して、光ファイバ光学系に導き、光ファイバ光学系から射出した光束をコリメート光学系でコリメートし、水平走査手段に入射させ光を水平に走査する。次に水平走査手段からの光束をリレー光学系を介して、垂直走査手段に入射させ、垂直方向に走査させたあと、第２のリレー光学系を介して観察者の眼に走査された光束を入射させるように構成している。水平走査手段と垂直走査手段の間にＢＤセンサを配置して、走査光がＢＤセンサ上を通過する時に得られる電気信号をＢＤ信号検出回路に送りこの信号を利用して画像信号の開始タイミングを決定している。

また、特許文献６では、正弦揺動を用いてレーザビームを偏向させる光走査装置において、偏向周波数の変動に起因する往路と復路の走査点開始ズレの補償が記載されており、開始点が一致するように光ビーム射出手段を制御している。さらに、特許文献７では、有効走査範囲を走査する第１のビームとは別の受光出力生成用の第２の光ビームを偏向器に入射させることで、光路の干渉が起こらないようにしている。
米国特許５，４６７，１０４号 特開平０７−１７５００５ 特開平０８−３３４７２３ 特開平６−３４２１２６ 特開２００３−５７５８６ 特開平９−２３０２７６ 特開２００３−５７５７７ ＳＰＩＥ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ＃４４０７−１９（Ｊｕｎｅ ２００１）"Ｗａｆｅｒ ｓｃａｌｅ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｆｏｒ ａ ＭＥＭＳ ｖｉｄｅｏ ｓｃａｎｎｅｒ"

光源から射出した光束を二次元走査する走査手段を有し、前記走査光学系が所望の位置に光源からの像を形成するように構成し、該光源像を被走査面上にて走査させ、かつ前記光源からの光束を変調することにより所定の画像を、観察者へ表示する走査型画像表示装置において、走査手段が揺動動作する場合の往路と復路の同期を行うためのものである。

特許文献４は、１次元画像を偏向ミラーで偏向走査し２次元画像として投影するディスプレイ装置における同期に関するものであるが、ミラーと画像の同期に、駆動信号とミラーの偏向角検出手段を使用している。走査光を検出していないため、十分な精度が得られない場合があるなどの課題がある。

特許文献５では、ＢＤ同期検出を水平走査手段により走査された光束により行うことを示しているが、具体的な光学系が記載されておらず、水平走査手段とＢＤ光センサの間に光学系を配置していないため、有効ビームとＢＤ検出時のビームが重なるというオーバーラップが起こりやすい。

特許文献６では、正弦揺動における往路と復路の走査の開始点が一致するような光学配置が記載されているものの１次元の走査手段がある特定の被走査面を走査し、被走査面自体に画像を形成させるものである。さらに、特許文献６に記載のとおり、揺動する走査手段の全偏向角のうち実効偏向角以外の部分に第１と第２の光検出器を配置するため、実効偏向角と度光検出器用の光路との間を狭くすると光路の干渉（オーバーラップ）が発生してしまい、実効ビームの光量損失が発生する。

さらに、特許文献７では、有効走査範囲を走査する第１のビームとは別の受光出力生成用の第２の光ビームを偏向器に入射させることで、光路の干渉は生じないが別ビームを用いているため構成が複雑になっている。

本発明の走査型画像表示装置は、画像情報に基づいて変調された光束を射出する光源と、前記光束を２次元方向に走査する走査手段と、前記光源の像を被走査面上に形成する走査光学系とを有する走査型画像表示装置において、前記走査光学系の最終光学面は、前記被走査面上に画像を形成するための光束を反射する反射領域と該反射領域外に設けられた透光部を備えており、該透光部を透過した光束を検出する光束検出手段と、該光束検出手段からの信号に基づいて前記光源の発光時点を制御する制御回路とを有することを特徴とする。

本発明によれば、画像を形成するための光束と同期検出用の光束の光路が干渉することなく、画像の位置ずれを防ぐことができる走査型画像表示装置を提供することができる。

以下に本発明の好適な実施例を示す。

本発明における第１の実施例を、図１を用いて説明する。図１は、走査型画像表示装置の垂直断面図である。光源１０１は、不図示の表示画像の入力信号に基づいて直接変調される（画像情報に基づいて変調される）。光源１０１から射出した光束１０２は、光源光学系１０３によりコリメートされ、走査手段１０４に入射する。走査手段１０４により光束１０２は２次元方向に走査され、走査光学系１０５に入射する。走査光学系１０５は２枚の正のパワーを持つ表面反射鏡１０５ａ、１０５ｂで構成される。走査光学系１０５に入射した光束は、走査手段側よりそれぞれ１０５ａ、１０５ｂの順に配置された表面反射鏡により反射され、被走査面１０６上またはその近傍に結像し、スポット１０７を形成する。走査手段１０４により光束１０２が走査されることにより、スポット１０７が被走査面上を２次元に移動し、光源１０１の変調に合わせ被走査面１０６上に２次元の画像を形成する。

次に、本実施例の走査型表示装置の走査画像に関しての同期検出について説明する。図１に示す様に、同期光検出手段１０８は、被走査面１０６上で、垂直走査方向に対して、画像を実際に表示するための光束のエリア外に相当する走査光学系の最終面（最終光学面）１０５ｂの近傍に配置されている。最終反射面１０５ｂの画像形成エリア外に相当する部分には、反射ミラーではなく透過面を形成し、同期光検出手段（光束検出手段）１０８を設け、走査光のタイミングを検出する。本実施例のように最終射出面１０５ｂにおける画像形成エリア外に相当する部分に同期光検出手段１０８へ導光するための透過面を形成することで、同期光検出手段１０８の設定位置精度を高くすることが出来る。また、画像を実際に表示するための走査光との光路の干渉を起こさないので、表示画像の輝度低下も生じることはない。

図２は、被走査面１０６上でのスポット１０７の走査状態を模式的に示すものである。１１７は実際に画像を表示するための実効エリアであり、矢印１１５は走査線の例を示しており、被走査面１０６上を矢印１１５のような順番に往復ラスタ走査を行う。同期光検出手段１０８ａ，１０８ｂは、実際には図１に示す様に走査光学系の最終面１０５ｂの近傍に配置されている。ここでは、その動作を説明するために、被走査面１０６上における走査線の例と重ねて記載して説明する。すなわち、同期光検出手段１０８ａ，１０８ｂは、被走査面１０６上における、実際に画像を表示するエリア１１７の外に相当する位置に配置されている。同期光検出手段１０８ａ，１０８ｂは、不図示の同期検出回路及び本表示装置の制御回路に電気的に接続され、同期光検出手段１０８ａ，１０８ｂからの信号をもとにして、制御されている。本実施例では、水平走査は揺動動作により往復走査を行い、それとは垂直な方向に垂直走査を行う。垂直走査を行ったあと、矢印１１８のように帰線して走査を繰り返す。図２中、被走査面１０６上で、実際に画像を表示するエリアは、実効エリア１１７であり水平方向、垂直方向とも、実効エリア１１７以外のオーバースキャン領域がある。実効エリア１１７には、所望の画像が表示される。同期光検出手段１０８ａ，１０８ｂの配置されるオーバスキャンエリアでは、同期を検出するために光源が連続発光される。連続発光した光源を発光させたときの同期光検出手段１０８ａ，１０８ｂへ入射する光信号は図３のようになる。同期光検出手段１０８ａ，１０８ｂにおいて、検出される光ビームの時間間隔を検出する。たとえば１１５方向に走査している往路を基準にして、往路と復路との差を考えると、揺動動作により往復走査を行っている水平走査の方向に関しては、同期光検出手段１０８ａの検出間隔は同期光検出手段１０８ａの検出間隔より長くなる。この検出時間を用いてスポット形成のタイミングを調整することで、往路と復路との正しい画素位置制御が可能となる。図４（ａ）は、往復走査における光源の発光タイミングにズレが生じている場合である。前記検出された時間間隔に基づき、光源の発光タイミング（発光時点）を制御することで、図４（ｂ）のようにあわせることができる。

走査光学系１０５を、光学透過面を持たない、表面反射面のみで構成することにより、走査光学系において色収差が発生しないため、プリズムなどの光学透過面をもつ光学系を用いるより、高品質な画像を提供できる。また、２枚の表面反射鏡１０５ａ、１０５ｂは回転対称軸を持たない、非回転対称面で構成される。本実施例の表面反射鏡１０５ａ、１０５ｂには、数式１に示したＸＹ多項式で表現される自由曲面形状を用いている。

但し、
Ｒ：曲率半径
Ｋ：コーニック定数
Ｃｍｎ：Ｘ^ｍＹ^ｎの係数
ｍ，ｎ：整数（ｍ＋ｎ≦８）

また、走査光学系を形成する２枚の反射面を正のパワーを有する面を用いることで、略テレセントリック光学系とすることができる。略テレセントリック性を持たせることで、被走査面１０６の後に接眼光学系を配置し、その接眼光学系を接眼光学系の光軸方向に移動させ視度調節を行う際に、画像の大きさの変化を小さくでき、またディストーションの変化も小さく抑えることが可能になる。さらに、２つの反射鏡のパワーが近い光学系となることにより、パワーを分散させ、収差の発生を抑える効果を持つ。

また、２枚の反射鏡１０５ａ、１０５ｂの間の空間を利用して、光束１０２が走査手段１０４に入射している。このように、２枚の反射鏡の間から走査手段１０４に光束１０２を入射させる事で、走査手段１０４への入射角を１０度と小さくしており、走査手段１０４に光束１０２が斜めに入射することで発生する走査歪みを小さくすることができる。

本実施例では、最終反射面１０５ｂの画像形成エリア外に相当する部分に設けた透過面近傍の裏面に同期光検出手段１０８として、ＰＤセンサなどを直接設ける例を示したが、これに限るものではなく、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような、レンズ１１２を用いて同期光検出手段１０８のセンサ面を、光学的に被走査面１０６と等価の位置にすることも可能である。また、図５（ｂ）、（ｃ）に示すような折り返しプリズム１１１を用いることで、光路を折り曲げて小型にするとともに、屈折率の分だけ光路長をかせぐこともでき、全体的な同期光検出手段１０８の全長を小さくすることができる。これらの構成においては、センサ１１３のサイズとセンサ面上でのスポットサイズからレンズ１１２の倍率，配置する位置などを決定すれば良い。

また、本実施例では、光源として光源１０１のみを配置したが、実際には赤、青、緑の半導体光源等を色合成手段を介して等価の位置に配置して、各光源を独立した光源駆動回路により機器制御回路の信号に基づき制御することでカラーの画像を得ることができる。その場合、同期光検出のために使用する光源は、複数ある光源のうち少なくとも１つを駆動すればよい。

本発明にかかる第２の実施例を図６を用いて説明する。実施例２では、光源光学系と走査光学系とをプリズム形状の素子に一体に形成しているところが異なる。ここで実施例１と同じ番号のものは、同じ機能を表すものであり、説明を省略する。

光源１０１は、不図示の表示画像の入力信号に基き、直接変調される。光源１０１から射出した光束は、透過面１２１を透過しプリズム形状の素子へ入射する。この透過光は内部反射面１２２により反射されて透過面１２３を射出し走査手段１０４に入射する。これらの透過，反射面１２１、１２２、１２３は、光源光学系を形成しており、光源１０１からの光束を略平行なビームに変換する作用を有する。

走査手段１０４に入射した光ビームは走査手段１０４により光束１０２は２次元方向に走査され、再度透過面１２３を透過してプリズム形状の素子へ入射する。この透過光は内部反射面１２４、１２５で反射され、最終透過面１２６から射出し被走査面１０６上またはその近傍に結像し、スポット１０７を形成する。走査手段１０４により光束１０２が走査されることにより、スポット１０７が被走査面上を２次元に移動し、光源１０１の変調に合わせ被走査面１０６上に２次元の画像を形成する。

すなわち、透過面１２３は、前記プリズム形状の素子から射出するときの光源光学系の一部としての光学作用と、内部反射面１２４、１２５、最終透過面１２６とで形成する走査光学系としての作用とを有する兼用面である。

本実施例でも最終射出面である１２６の近傍に同期光検出手段１０８を設けて、走査光のタイミングを検出する。この同期光検出手段１０８は実施例１と同様に、被走査面１０６上で垂直走査方向に対して、画像を実際に表示するための光束のエリア外に相当する位置に配置されている。

本実施例では、光源１０１のみを配置したが、実際には赤、青、緑の半導体光源等を色合成手段を配置して、各光源を独立した光源駆動回路により機器制御回路の信号に基づき制御することでカラーの画像を得ることができる。その場合、同期光検出のために使用する光源としては、複数ある光源のうち少なくても１つを駆動すればよい。

また、同期光検出手段１０８としては図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したレンズ１１２や折り返しプリズム１１１などを用いることも可能である。

本発明にかかる第３の実施例を以下に説明する。

図７、８は、本発明にかかる第３の実施例による走査型画像表示装置の構成概要を示したものである。本実施例による走査型画像表示装置は、光源１０１からの光束を水平走査手段１０５ａと垂直走査手段１０５ｂにより走査して、スクリーン１０６に画像を表示する投影型ディスプレイである。

光源１０１は、半導体レーザあるいは、半導体レーザをベースとした波長変換光源である。本実施例では、光源１０１を１つとしたが、光源１０１をたとえば、赤、青、緑の光を発光する複数の光源により構成することも可能である。光源１０１は、不図示の光源制御回路に電気的に接続され変調される。光源１０１から発光した光束は、集光レンズ１３１により平行光束に変換され、開口絞りによって光束幅を制限されている。開口絞りを通過した光束は、収束光変換光学系１３４によって所望な収束度を有した収束光束に変換され、偏向手段へ入射する入射光束となる。１３５は２次元偏向手段であり、例えば、反射面を１面有した１次元方向に共振可能な偏向器１３５ａと等角速度的に偏向が可能な偏向ミラー１３５ｂとによって構成される。光源手段１０１から発せられた光束を第１偏向器１３５ａによって水平走査方向に偏向し、該第１偏向器１３５ａからの偏向光束を第２偏向器１３５ｂで垂直走査方向へ偏向することで、光源手段１から発せられた入射光束を偏向手段１３５により２次元方向に偏向している。１３６は２枚の走査ミラー１３６ａ，１３６ｂで構成される２次元走査光学系であり、偏向手段１３５によって２次元方向に偏向された偏向光束を被走査面１０６近傍にスポットとして結像させている。そして、偏向手段１３５により偏向された偏向光束が２次元走査光学系１３６を介してスクリーンとして成る被走査面１０６上を光走査している。このように、第１偏向器１３５ａにより水平走査方向へ高速に光走査して走査線を描き、第２偏向器１３５ｂにより垂直走査方向に低速に光走査してスクリーン１０６上に２次元画像を表示している。

ここで、最終反射面である走査ミラー１３６ｂの画像形成エリア外に相当する部分には、反射ミラーではなく透過面を形成し、同期光検出手段１０８を設け、走査光のタイミングを検出する。本実施例のように最終射出面１３５ｂにおける画像形成エリア外に相当する部分に同期光検出手段１０８へ導光するための透過面を形成することで、同期光検出手段１０８の設定位置精度を高くすることが出来る。また、画像を実際に表示するための走査光との光路の干渉を起こさないので、表示画像の輝度低下も生じることはない。

本実施例においても走査画像に関しての同期検出は、これまでの実施例と同様の方法で実施することが出来るし，図５に示した光学系を用いることが出来る。

特に、本実施例の様に、光源１０１からの光束を走査手段１０５により走査して、スクリーン１０６に画像を表示する投影型ディスプレイにおいては、同期光検出手段１０８を投影装置側に配置する必要性があり、図５に示したレンズ１１２を用いて、同期光検出手段１０８のセンサ面１１３を、光学的に被走査面１０６と等価の位置にする方が、センサ面上１１３でのスポットサイズを良好にすることが出来る。

本実施例の走査ミラー１３６ａ，１３６ｂにも、数式１に示したＸＹ多項式で表現される自由曲面形状を用いている。

そして、走査ミラー１３６ａ，１３６ｂの反射面は、水平走査方向においては基準軸ＢＡに対して対称な形状をしており、垂直走査方向においては非対称な形状をした非回転対称面であり、更に垂直走査方向においては、シフトやチルトさせて配置している。

本実施例のように垂直走査方向において斜め投影させた画像表示装置の場合、スクリーン１０６に表示した走査画像の台形歪みは、水平走査方向の走査画像の幅が下方から上方へ向かうにつれて徐々に広がる形状をしている。そこで、２次元走査光学系１３６に非回転対称形状に形成された反射面を有する走査ミラーを２枚以上含ませ、垂直走査方向においてチルトさせて偏向光束の光路を折り畳むように配置することにより台形歪みを良好に補正することができる。

ここで、走査型画像表示装置とは被走査面上に形成された画像を直接観察する本実施例の投影型ディスプレイ装置に限られず、被走査面と観察者との間の光路に観察光学系を設けて前記被走査面上に形成された画像を拡大して観察する電子ビューファンダーシステムなどの画像表示装置であってもよい。

本発明にかかる第１の実施例の構成図 同期光検出手段の配置説明図 同期光検出手段の出力説明図 往復走査のずれの有無の説明図 同期光検出手段の別様態 本発明にかかる第２の実施例の説明図 本発明による第３の実施例の構成説明図 本発明による第３の実施例の構成説明図

符号の説明

１０１ 光源
１０２ 光束
１０３ 光源光学系
１０４ 走査手段
１０５ 走査光学系
１０６ 被走査面
１０７ スポット
１０８ 同期光検出手段
１１１ 折り返しプリズム
１１２ レンズ
１１３ センサ
１１７ 実効エリア
１２１、１２３ 透過面
１２２ 反射面
１２４、１２５ 内部反射面
１２６ 最終透過面
１３１ 集光レンズ
１３４ 収束光変換光学系
１３５ ２次元偏向手段

Claims (6)

1. 画像情報に基づいて変調された光束を射出する光源と、前記光束を２次元方向に走査する走査手段と、前記光源の像を被走査面上に形成する走査光学系とを有する走査型画像表示装置において、
   前記走査光学系の最終光学面は、前記被走査面上に画像を形成するための光束を反射する反射領域と該反射領域外に設けられた透光部を備えており、
   該透光部を透過した光束を検出する光束検出手段と、
   該光束検出手段からの信号に基づいて前記光源の発光時点を制御する制御回路とを有することを特徴とする走査型画像表示装置。
2. 前記走査光学系は２つのミラーで構成されており、該２つのミラーのうち少なくとも一方の反射面は非回転対称非球面であることを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
3. 前記走査光学系は３以上の光学面を備える１つの光学素子で構成され、該光学素子の少なくとも１つの光学面は非回転対称非球面であることを特徴とする請求項１に記載の走査型画像表示装置。
4. 前記走査光学系の最終光学面から前記被走査面までの光路長と、前記最終光学面から前記光束検出手段までの光路長が等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。
5. 前記走査手段は、反射面を揺動させることにより、前記光束を往復走査することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。
6. 前記被走査面に形成された画像を観察するための観察光学系を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。

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