JP5235511B2 - 光学走査装置、その駆動方法、及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ等の光源からの光を走査する光学走査装置、その駆動方法、及びそれを用いたディスプレイ装置などの光学機器に関する。

ディスプレイの構成の一つに、レーザ光等のビーム状の光を水平・垂直に走査して画像を描画するものがある。20kHz程度の周波数で走査する水平走査の手段としては、ＭＥＭＳのプロセス技術で作製され共振周波数で駆動される共振ミラーが主流になりつつある。その理由は、この種のミラーは、ミラー本体とこれを支える部材が梁で繋がった一体構造であるため、ＭＥＭＳのプロセス技術による製造に適していて、安価で大量に生産ができるからである。一方、垂直走査に関しては、一般のテレビジョン方式では100Hz以下であるので、前述の共振ミラーを使用するには周波数が低すぎて、ミラーの設計が困難となる。

こうした点に鑑み、アクチュエータ駆動方法、光学走査手段、及びそれらを用いたディスプレイ装置が提案されている（特許文献1参照）。特許文献1の提案の概要を説明すると、まず第1のステップとして、アクチュエータの角度等の応答を時間領域で検出する。次に第2のステップとして、検出された応答を時間領域から周波数領域に変換する。そして第3のステップとして、第2のステップでの変換結果と参照波形とを比較してアクチュエータの駆動波形を周波数領域で変化させ調整する。最後に、第3のステップで調整した結果を時間領域の表現に変換してアクチュエータを駆動する。特許文献1は、以上の4つのステップを順番に繰り返すアクチュエータ駆動制御を提案している。

ところで、前述のディスプレイで使用される水平走査の共振ミラーは、ＭＥＭＳプロセスのごく微小な条件変化などに起因して、共振周波数に大きなばらつきが生じてしまうことがある。しかし、こうした場合でも、フレーム毎の書き始め位置を一定にする為と走査線の本数を一定に保つ為には、水平走査の周期と垂直走査の周期を或る一定の比に保つ必要がある。これには、前述の共振周波数のばらつきを何らかの方法で所望の値に調整する必要があった。特許文献2では、予め可動板の両端に設けてある質量負荷部を適量除去することで、共振周波数を所望の値に調整する方法が提案されている。
特開2005-80355号公報 特開2002-40355号公報

しかしながら、背景技術のところで説明した特許文献1の光学走査手段を垂直走査用のものとし、また特許文献2の光学走査手段を水平走査用のものとして構成した場合、以下の2点が指摘される。第1に、特許文献2の技術による共振周波数の調整工程が、ＭＥＭＳプロセスによる大量で安価に生産できる特徴を損ねる可能性があるという点が指摘される。第2に、温度条件や経時条件により、調整工程後に共振周波数が変化した場合に、フレーム毎の走査線の本数が変化してしまう可能性があるという点が指摘される。

上記課題に鑑み、本発明の複数方向に走査可能な光学走査装置は次の特徴を有する。光学走査装置は、第1の光偏向器と、駆動回路と、第1の検出手段と、周波数領域変換手段と、保持手段と、駆動信号調整手段と、時間領域変換手段と、第2の光偏向器と、第2の検出手段と、信号供給手段と、を有する。前記第1の光偏向器は、第1の方向に走査可能である。前記駆動回路は、周期的に変化する駆動信号に基づき前記第1の光偏向器を駆動する。前記第1の検出手段は、前記第1の光偏向器の応答信号を検出する。前記周波数領域変換手段は、前記第1の検出手段で検出される応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する。前記保持手段は、前記周波数領域変換手段による変換結果の目標結果を保持する。前記駆動信号調整手段は、前記周波数領域変換手段からの変換結果の信号と前記保持手段からの目標結果を比較した結果に応じて、前記駆動信号を周波数領域で調整する。前記時間領域変換手段は、前記駆動信号調整手段からの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換して前記駆動回路に供給する。前記第2の光偏向器は、第2の方向に走査可能である。前記第2の検出手段は、前記第2の光偏向器の走査周期を検出する。前記信号供給手段は、前記第2の検出手段で検出される第2の光偏向器の走査周期の信号から、前記第2の光偏向器の走査周期の変化率の情報を含む信号を生成し、該信号を周波数領域変換手段と駆動信号調整手段と時間領域変換手段とに供給する。更に、前記周波数領域変換手段は、前記信号供給手段からの信号を参照して、前記第1の検出手段で検出される応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する。前記駆動信号調整手段は、前記信号供給手段からの信号をも参照して、前記駆動信号を周波数領域で調整する。前記時間領域変換手段は、前記信号供給手段からの信号をも参照して、前記駆動信号調整手段からの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する。そして、前記第2の光偏向器の走査周期が変化しても該第2の光偏向器の走査周期と同じ変化率で前記第1の光偏向器の走査周期を変化させることで、前記第1の光偏向器の走査周期と前記第2の光偏向器の走査周期との比が一定の関係になるように、前記第1の光偏向器は、前記駆動回路により、前記第2の光偏向器と連動して駆動される。

また、上記課題に鑑み、本発明の光学走査装置の駆動方法は次の特徴を有する。周期的に変化する駆動信号に基づき駆動される、第1の方向に走査可能な第1の光偏向器及び第2の方向に走査可能な第2の光偏向器における駆動方法である。この光学走査装置の駆動方法では、第2の光偏向器の走査周期を検出して、第2の光偏向器の走査周期に比例した周期信号を生成し、前記周期信号に基づき第1の方向に走査可能な第1の光偏向器を駆動する。また、この光学走査装置の駆動方法は、次の第1のステップから第5のステップを有する。第1のステップでは、前記第1の光偏向器の応答信号を前記周期信号の1周期にわたり検出する。第2のステップでは、前記第1のステップで検出する応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する。第3のステップでは、前記第2のステップの変換結果の目標結果を保持する。第4のステップでは、前記第2のステップの変換結果の信号と前記第3のステップの目標結果を比較した結果に応じて、前記駆動信号を周波数領域で調整する。第5のステップでは、前記第4のステップの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換して前記第1のステップにおける駆動信号として供給する。更に、前記第2のステップでは、前記周期信号を参照して、前記第1のステップで検出する応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する。前記第4のステップでは、前記周期信号をも参照して、前記駆動信号を周波数領域で調整する。前記第5のステップでは、前記周期信号をも参照して、前記第4のステップの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する。こうして、前記第2の光偏向器の走査周期が変化しても該第2の光偏向器の走査周期と同じ変化率で前記第1の光偏向器の走査周期を変化させることで、前記第1の光偏向器の走査周期と前記第2の光偏向器の走査周期との比が一定の関係になるように、前記第1のステップで検出する前記第1の光偏向器の応答信号の周期を、前記周期信号に基づいて制御しつつ、前記第2の光偏向器と連動して前記第1の光偏向器を駆動する。

また、上記課題に鑑み、本発明のディスプレイ装置などの光学機器は、前記光学走査装置と、光照射対象物を有し、光学走査装置は、光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を光照射対象物に入射させることを特徴とする。

本発明によれば、1つの光偏向器の走査周期を、他の光偏向器の走査周期の変化に基づいて制御しつつ（例えば、両者の周期を整数比の関係に保ちつつ）、後者の光偏向器と連動して前者の光偏向器を駆動することができる。従って、本発明の光学走査装置ないしその駆動方法により、例えば、ビーム状の光を水平・垂直の2方向に走査して画像を描画するディスプレイを構成する場合、水平走査周期の初期ばらつきを調整すること無く、フレームの走査線を一定に保つことができる。そのため、例えば、水平走査に、ＭＥＭＳのプロセス技術で作製された共振ミラーを使用した場合でも、共振周波数の調整工程を必要とせず、ＭＥＭＳプロセスによる大量で安価に生産できる特徴を利用できる。また、温度条件や経時条件などにより、調整工程後などに共振周波数が変化したとしても、例えば、フレーム毎の走査線の本数が変化しない。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明の光学走査装置の基本的な実施形態は、第1の光偏向器と、駆動回路と、第1の検出手段と、周波数領域変換手段と、保持手段と、駆動信号調整手段と、時間領域変換手段と、第2の光偏向器と、第2の検出手段と、信号供給手段を有する。そして、第1の光偏向器の応答信号の周期が、第2の検出手段により検出される第2の光偏向器の走査周期の変化比率に基づいて制御されつつ、第1の光偏向器は、駆動回路により、第2の光偏向器と連動して駆動される。例えば、第1の光偏向器の応答信号の周期が、第2の検出手段により検出される第2の光偏向器の走査周期の変化比率と等しい比率で変化させられて制御されるように、信号供給手段は信号を生成することができる。この際、信号供給手段は、第2の検出手段で検出される第2の光偏向器の走査周期の信号から、こうした制御を達成するように該走査周期の変化比率の情報を含む信号を生成し、該信号を周波数領域変換手段と駆動信号調整手段と時間領域変換手段に供給する。また、例えば、第1の光偏向器の駆動周期と第2の光偏向器の走査周期が整数比の関係を保つように、信号供給手段は前記信号を生成することもできる。これにより、水平及び垂直走査手段で光を2次元に走査して画像を描画するディスプレイ装置に前記光学走査装置を用いた場合、温度条件や経時条件などにより、第2の光偏向器の共振周波数が変化したとしても、フレーム毎の走査線の本数が変化しない。

言い換えれば、前記基本的な実施形態は以下の様に構成される。周期的に変化する駆動信号に基づき第1の方向に走査可能な第1の光偏向器を駆動する駆動回路と、第1の光偏向器の応答を検出する第1の検出手段を設ける。第1の検出手段で検出される応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する周波数領域変換手段を設ける。前記変換結果の目標結果を保持する保持手段を設ける。周波数領域変換手段からの変換結果の信号と保持手段からの目標結果を比較した結果に応じて、駆動信号を周波数領域で調整する駆動信号調整手段を設ける。保持手段からの目標結果と周波数領域変換手段からの変換結果とを参照して、駆動信号調整手段からの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換して駆動回路に供給する時間領域変換手段を設ける。第2の方向に走査可能な第2の光偏向器と、第2の光偏向器の走査周期を検出する第2の検出手段を設ける。こうした構成において、周波数領域変換手段は、前記信号供給手段からの信号を参照して、第1の検出手段で検出される応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する。また、駆動信号調整手段は、前記信号供給手段からの信号をも参照して、駆動信号を周波数領域で調整する。また、時間領域変換手段は、前記信号供給手段からの信号をも参照して、駆動信号調整手段からの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する。

以上の構成で、次のような駆動方法で第1の光偏向器を駆動することができる。まず、第1の段階として、アクチュエータの角度等の応答を時間領域で検出する。第2の段階として、検出された応答を時間領域から周波数領域に変換する。第3の段階として、第2の段階での変換結果と参照波形とを比較してアクチュエータの駆動波形を周波数領域で変化させる。更に、第3の段階で調整した結果を時間領域の表現に変換してアクチュエータを駆動する。そして、以上の4つの段階を順番に繰り返す。ここにおいて、第1の光偏向器の応答が周期的に変化する様に駆動されるとき、第1の光偏向器の応答周期は、第2の検出手段により検出される第2の光偏向器の走査周期の変化比率に応じて定められる。

より詳細には、前記光学走査装置の駆動方法は、周期的に変化する駆動信号に基づき駆動される、第1の方向に走査可能な第1の光偏向器及び第2の方向に走査可能な第2の光偏向器におけるものである。そして、前記第2の光偏向器の走査周期を検出して、前記第2の光偏向器の走査周期に比例した周期信号を生成し、前記周期信号に基づき第1の方向に走査可能な第1の光偏向器を駆動する。第1のステップでは、第1の光偏向器の応答信号を前記周期信号の1周期にわたり検出する。第2のステップでは、前記第1のステップで検出する応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する。第3のステップでは、前記第2のステップの変換結果の目標結果を保持する。第4のステップでは、前記第2のステップの変換結果の信号と前記第3のステップの目標結果を比較した結果に応じて、前記駆動信号を周波数領域で調整する。第5のステップでは、前記第4のステップの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換して前記第1の光偏向器の駆動信号として供給する。ここで、前記第2のステップでは、前記周期信号を参照して、前記第1のステップで検出する応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する。前記第4のステップでは、前記周期信号をも参照して、駆動信号を周波数領域で調整する。前記第5のステップでは、前記周期信号をも参照して、前記第4のステップの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換する。こうして、第1の光偏向器は、その応答が周期的に変化する様に駆動され、第1の光偏向器の応答周期は、検出される第2の光偏向器の走査周期の変化比率に応じて定められる。

前記光学走査装置は光学機器に用いることができて、光学走査装置は、光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を光照射対象物に入射させる。典型的には、前記光学走査装置は、水平走査手段と垂直走査手段によりビーム状の光を2次元に走査して画像を描画するディスプレイ装置に用いることができる。

以下、図面に沿って具体的な実施例を説明する。

（実施例1）
図1は、本発明の複数方向に走査可能な光学走査装置及びその駆動方法に係る実施例1の構成を示す図である。本実施例は、垂直走査手段1、検出手段2、フーリエ変換器3、減算器4、除算器5、加算器6、記憶装置7、遅延検出器8、フーリエ逆変換器9、駆動回路10、水平走査手段11、検出手段12、駆動回路13を含む。垂直走査手段1は、アクチュエータ1aと光学偏向板1bとを構成要素として含み、光学偏向板1bの姿勢をアクチュエータ1aにより変化させることで光学走査を行う。アクチュエータ1aは、駆動回路10からの駆動信号S₁により駆動される。検出手段2は、アクチュエータ1a及び光学偏向板1bの角度又は速度等の応答y₁(t)を検出する手段である。

水平走査手段11は、一般的にＭＥＭＳミラーなどと呼ばれる光偏向板で構成され、例えば、図示する様に、光学偏向板11a、支持枠11b、梁11cで構成される。光学偏向板11aは四角状の部材であり、対向する2辺の中心付近において梁11cによって支持枠11bに可動に支持される。光学偏向板11a、支持枠11b、梁11cは、1枚のシリコン基板から、エッチング等のＭＥＭＳプロセスを用いて作製することができる。本実施例では、走査可能な複数方向は2方向であり、第1の方向である垂直方向と第2の方向である水平方向は同一平面上にある。

前記構成において、平面板である光学偏向板11aは、支持枠11bに対して一方向に回転可能に支持されてはいない。梁11cが、その長手方向を軸とする弾性ねじれ変形をするため、光学偏向板11aは、支持枠11bに対して、該軸の回りに揺動可能に支持される。このとき、水平走査手段11は、梁11cの弾性ねじれ変形のバネ定数と光学偏向板11aの質量とによってバネ・マス共振系を成しており、光学偏向板11aに対して前述のねじれ軸方向にねじり力を作用させる。そのねじり力の方向を共振周期T_res1で変化させることで、光学偏向板11aを前述のねじれ軸中心に揺動させる。この様に、第2の光偏向器である水平走査手段11は、シリコンのねじりバネのバネ定数とシリコンの平面板の質量とによるバネ・マス共振現象によって平面板をねじりバネの軸中心に揺動させることで光走査する走査装置である。前述のねじり力は、電磁力や静電引力を用いて発生させるものが一般的であるが、これらに限られない。こうした力を生じさせられるものであれば、如何なるものでも用いることができる。

検出手段12は水平走査手段11の共振周期T_res1を検出して、これを駆動回路13、同期信号発生器14に出力する。駆動回路13は、入力される共振周期T_res1から駆動信号S₂を生成して出力し、水平走査手段11を共振駆動する。同期信号発生器14は、入力される共振周期T_res1から同期信号sync₁を発生させる。同期信号発生器14の動作の詳細は後述する。

ここで、応答y₁(t)と同期信号sync₁について説明する。同期信号sync₁の信号発生の時間間隔をT₁とする。この同期信号sync₁は、フーリエ変換器3、記憶装置7、フーリエ逆変換器9に供給される。信号sync₁の同期信号発生時刻をt₁₁,t₁₂,…,t_1(n1),…（n1は正の整数）とする。フーリエ変換器3は、時刻t_1(n1)に信号sync₁の同期信号が入力される毎に、時刻t_1(n1)-T₁から時刻t_1(n1)の間の応答y₁(t)を、次の式（1）で表されるフーリエ級数に変換する。そして、集合x₁{a₁₀,…,a_1K,b₁₁,…,b_1K}を出力する。

ここで、Kは正の整数、a₁₀,…,a_1K,b₁₁,…,b_1Kは実数、πは円周率である。

集合u₁{a₂₀,…,a_2K,b₂₁,…,b_2K}は、応答y₁(t)の状態を定める信号で、前記集合x₁の目標値（目標結果）である。減算器4は、次の計算式で得られる集合x₂{a₃₀,…,a_3K,b₃₁,…,b_3K}を計算する減算器である。
a₃₀=a₂₀-a₁₀,…,a_3K=a_2K-a_1K
b₃₁=b₂₁-b₁₁,…,b_3K=b_2K-b_1K

除算器5には、集合x₂{a₃₀,…,a_3K,b₃₁,…,b_3K}が入力され、次の計算式で得られる集合x₃{a₄₀,…,a_4K,b₄₁,…,b_4K}を計算する。
a₄₀=(1/A)a₃₀,…,a_4K=(1/A)a_3K
b₄₁=(1/A)b₃₁,…,b_4K=(1/A)b_3K

加算器6には、集合x₃{a₄₀,…,a_4K,b₄₁,…,b_4K}と集合x₅{a₆₀,…,a_6K,b₆₁,…,b_6K}が入力され、次の計算式で得られる集合x₄{a₅₀,…,a_5K,b₅₁,…,b_5K}を計算する。
a₅₀=a₆₀+a₄₀,…,a_5K=a_6K+a_4K
b₅₁=b₆₁+b₄₁,…,b_5K=b_6K+b_4K

記憶装置7は、集合x₅{a₆₀,…,a_6K,b₆₁,…,b_6K}を記憶して出力するとともに、入力される信号sync₁の同期信号発生時刻毎に次の代入を行う機能を持つ装置である。
a₆₀←a₅₀,…,a_6K←a_5K
b₆₁←b₅₁,…,b_6K←b_5K
（記号←は代入を意味する）

フーリエ逆変換器9は、入力される集合x₅{a₆₀,…,a_6K,b₆₁,…,b_6K}と集合x₆{θ₁₁,…,θ_1K}とを基に、次の式（2）で表される信号f₁(t)を出力するフーリエ逆変換の機能を有するフーリエ逆変換器である。これと共に、信号sync₁の同期信号発生時刻t₁₁,t₁₂,…,t_1(n1),…の各時刻において、前記式（2）のサイン項とコサイン項の位相をθ_kに位相ロックする機能をも有する。

駆動回路10は、入力される信号f₁(t)を、アクチュエータ1aが、例えばステップモータであれば電気角度に、例えば直流モータであれば駆動電圧に、という様にアクチュエータ1aに応じた駆動信号に変換する。そして、変換した駆動信号S₁をアクチュエータ1aに供給する。

遅延検出器8は、入力される集合u₁{a₂₀,…,a_2K,b₂₁,…,b_2K}とx₁{a₁₀,…,a_1K,b₁₁,…,b_1K}から、応答y₁(t)の周波数成分の集合x₁の集合u₁に対する位相の遅延を検出する。そして、前記集合x₆{θ₁₁,…,θ_1K}としてフーリエ逆変換器9へ出力する。

以上の処理の構成において、応答y₁(t)をフーリエ変換して得られる係数の集合x₁の要素a_1m（mは正の整数で1≦m≦K）と対応する集合u₁の要素a_2m、集合x₄の要素a_5m、集合x₅の要素a_6mは、次の式（3）で示される関係を持つ。

よって、要素a_1mが要素a_2mと比べて小さい場合は、信号sync₁の同期信号が発生する毎に、要素a_5mの値を増加させて、信号f₁(t)のa_5mcos(mω₀t+θ_1m)の項の振幅を増加させる。このとき、θ_mはアクチュエータ1aのm/T₁の周波数応答に対する位相の遅延であるから、応答y₁(t)は前記式（1）のサイン項の係数である要素b_1mに原理上影響することなく、コサイン項の係数である要素a_1mを増加させる。以下同様の原理で、要素a_1mが要素a_2mと比べて大きい場合は、コサイン項の係数である要素a_1mを減少させる。また、式（1）のサイン項の係数である要素b_1mと直流項の係数である要素a₁₀に関しても、同様な増減動作が行われる。

前記動作によって集合x₄{a₅₀,…,a_5K,b₅₁,…,b_5K}の各要素は、信号sync₁の同期信号が発生する毎に、集合x₂{a₃₀,…,a_3K,b₃₁,…,b_3K}の各要素の絶対値を減少させる様に値が変化する。従って、図1の集合x₁{a₁₀,…,a_1K,b₁₁,…,b_1K}の各要素は、集合u₁{a₂₀,…,a_2K,b₂₁,…,b_2K}に一致した状態で安定する様に制御される。収束状態でのアクチュエータ1aの応答y₁(t)は、集合u₁{a₂₀,…,a_2K,b₂₁,…,b_2K}を用いて、次の式（4）で表される。

こうして、式（4）の集合u₁{a₂₀,…,a_2K,b₂₁,…,b_2K}を与えることで、アクチュエータ1aの応答y₁(t)を所望の波形に制御することができる。なお、除算器5のAはループのゲインを調整する値である。Aの値は、安定状態になるまでの時間とループの安定性が適切になる様に、使用者が設定する。また、Aの値を時間で変化させてもよい。

次に、図2を用いて、同期信号発生器14と信号sync₁とについて説明する。同期信号発生器14は、カウンタ15、数値保持手段16、コンパレータ17で構成される。カウンタ15には共振周期T_res1の周期信号が入力され、カウンタ15は周期信号が入力される毎にカウント値を1つ増やす。カウンタ15のカウント値をN₂とする。数値保持手段16はメモリやレジスタなどの数値N₁を保持する手段であり、数値N₁は、カウント値N₂と共にコンパレータ17に入力される。コンパレータ17では、数値N₁とカウント値N₂を比較して、一致した場合に一致信号を発生させる。この一致信号が、信号sync₁として外部に出力される。

信号sync₁はカウンタ15にも入力され、カウンタ15は、信号sync₁と共振周期T_res1の周期信号入力タイミングで、1にリセットさせる。このとき、カウンタ15は、共振周期T_res1で1からN₁まで1ずつカウントアップして、1にリセットする動作を行う。よって、信号sync₁は、水平走査手段11の共振周期T_res1の数値N₁を周期とする信号となる。また、信号sync₁の周期T_res1×N₁は、前記式（4）における基本周期を定める信号である。以上から、垂直走査手段1の走査周期は、水平走査手段11の共振周期T_res1のN₁倍となる。数値N₁を変えることで、垂直走査手段1の走査周期と水平走査手段11の共振周期T_res1の比を変えることができる。典型的には、この比を整数比とする。

本実施例の遅延検出器8の動作について、図3を用いて説明する。図3は、図1における集合x₁{a₁₀,…,a_1K,b₁₁,…,b_1K}と集合u₁{a₂₀,…,a_2K,b₂₁,…,b_2K}の関係を示す図である。要素a_2k及び要素b_2kを直交座標系AB上で、要素a_1k及び要素b_1kを直交座標系A’B’上で示している。前述の様に、要素a_2k及び要素b_2kは、アクチュエータ1aの目標波形のなかで周波数kω₀/2πにおける成分を定める。また、要素a_1k及び要素b_1kは、アクチュエータ1aの応答波形の周波数kω₀/2πにおける成分を表す。2つの直交座標系の位相差Δθ_1kは、アクチュエータ1aの周波数kω₀/2πにおける位相遅延の設定値の誤差を表す。位相差Δθ_1kは、要素a_2k、要素b_2k、要素a_1k、要素b_1kを用いて、次の式（5）で表される。

遅延検出器8は、位相差Δθ_1kの値に応じて、集合x₆{θ₁₁,…,θ_1K}の各要素θ_1kを調節して、位相差Δθ_1kが0になる様に調整する。

前記基本的な実施形態の構成要素と本実施例の構成要素との対応関係を説明すると、以下のようになる。アクチュエータ1aと光学偏向板1bは、第1の方向に走査可能な第1の光偏向器に対応する。駆動回路10は、周期的に変化する駆動信号に基づき第1の光偏向器を駆動する駆動回路に対応する。検出手段2は、第1の光偏向器の応答信号を検出する第1の検出手段に対応する。フーリエ変換器3は、信号供給手段からの信号を参照して、第1の検出手段で検出される応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する周波数領域変換手段に対応する。前記u₁の集合を保持する手段（不図示）は、周波数領域変換手段による変換結果の目標結果を保持する保持手段に対応する。減算器4、除算器5、加算器6、記憶装置7は、信号供給手段からの信号を参照して、周波数領域変換手段からの変換結果の信号と保持手段からの目標結果を比較した結果に応じて、駆動信号を周波数領域で調整する駆動信号調整手段に対応する。フーリエ逆変換器9、遅延検出器8は、保持手段の目標結果と周波数領域変換手段の変換結果と信号供給手段の信号を参照して、駆動信号調整手段の駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換して駆動回路に供給する時間領域変換手段に対応する。水平走査手段11は、第2の方向に走査可能な第2の光偏向器に対応する。検出手段12は、第2の光偏向器の走査周期を検出する第2の検出手段に対応する。更に、同期信号発生器14は、第2の光偏向器の走査周期の信号から、第2の光偏向器の走査周期の変化比率の情報を含む信号を生成し、該信号を周波数領域変換手段と駆動信号調整手段と時間領域変換手段に供給する前記信号供給手段に対応する。

本実施例によれば、2方向に走査可能な光学走査装置により、ビーム状の光を水平・垂直の2方向に走査して画像を描画するディスプレイを構成する場合に、水平走査周期の初期ばらつきを調整すること無く、フレームの走査線を一定に保つことができる。そのため、水平走査に共振ミラーを使用した場合に、共振周波数の調整工程を必要とせず、ＭＥＭＳプロセスによる大量で安価に生産できる特徴を利用できる。また、温度条件や経時条件により、調整工程後の共振周波数が変化した場合でも、フレーム毎の走査線の本数が変化することがなくなる。

（実施例2）
図4は、本発明の光学走査装置及びその駆動方法に係る実施例2の構成を示す図である。本実施例は、2次元走査手段18、検出手段19、フーリエ変換器20、減算器21、除算器22、加算器23、記憶装置24、遅延検出器25、フーリエ逆変換器26、駆動回路27、検出手段28、駆動回路29、同期信号発生器30を含む。走査手段18は、光学偏向板18a、内側支持枠18b、内側梁18c、外側支持枠18d、外側梁18eで構成される。同等の機能を有するという観点から、光学偏向板18aは、実施例1の光学偏向板11aに、内側支持枠18bは、実施例1の支持枠11bに、内側梁18cは、実施例1の梁11cにそれぞれ対応する。光学偏向板18aは、内側支持枠18bに対し内側梁18cで可動に支持されている。

内側梁18cが、その長手方向を軸とする弾性ねじれ変形を起こすことで、光学偏向板18aは、内側支持枠18bに対し、内側梁18cの長手方向の軸を中心とした揺動運動をする。この揺動運動は、内側梁18cの弾性ねじれ変形のバネ定数と光学偏向板18aの質量によるバネ・マス共振の周期で行われる。以下では、光学偏向板18aの内側支持枠18bに対する走査を水平走査と記す。

検出手段28は、内側梁18cの弾性ねじれ変形の共振周期T_res2を検出して、駆動回路29、同期信号発生器30に出力する。駆動回路29は、入力される共振周期T_res1から生成される信号S₄を出力して水平走査を共振駆動する。同期信号発生器30は、入力される共振周期T_res2から同期信号sync₂を発生させる。同期信号発生器30の動作は、実施例1の同期信号発生器14と同等である。

内側支持枠18bは、外側支持枠18dに対し外側梁18eで支持されているが、外側梁18eは、内側梁18cと同様に、その長手方向を軸とする弾性ねじれ変形を起こすことで内側支持枠18bを揺動運動可能に支持する。内側梁18cの回転軸と外側梁18eの回転軸は、光学偏向板18aの平面上で互いに直交している。従って、光学偏向板18aは、外側支持枠18dに対して2軸回りの揺動運動が可能である。

内側支持枠18bと外側支持枠18dとの間にねじり力を発生させ、外側梁18eのねじれ変形を起こす原理としては、電磁力や静電引力などを利用したものが考えられるが、発明の本質ではないため詳細は省略する。駆動回路27は、電磁力や静電引力等の内側支持枠18bの駆動原理に応じた駆動信号S₃を出力する。駆動回路27、駆動信号S₃は、それぞれ実施例1の駆動回路10、駆動信号S₁に対応する。検出手段19は、内側支持枠18bと外側支持枠18d間の角度などを検出して時間信号y₂(t)を出力する。

以下の構成、動作等は実施例1のものと同等であるため、対応関係を示すのみとして動作の説明は省略する。フーリエ変換器20、減算器21、除算器22、加算器23、記憶装置24、遅延検出器25、フーリエ逆変換器26は、それぞれ実施例1のフーリエ変換器3、減算器4、除算器5、加算器6、記憶装置7、遅延検出器8、フーリエ逆変換器9に対応する。集合x₇、集合u₂、集合x₈、集合x₉、集合x₁₀、集合x₁₁、集合x₁₂は、それぞれ実施例1の集合x₁、集合u₁、集合x₂、集合x₃、集合x₄、集合x₅、集合x₆に対応する。また、f₂(t)は、実施例1のf₁(t)に対応する。

本実施例によっても、2方向に走査可能な光学走査装置により、ビーム状の光を水平・垂直の2方向に走査して画像を描画するディスプレイを構成する場合に、水平走査周期の初期ばらつきを調整すること無く、フレームの走査線を一定に保つことができる。

（実施例3）
図5に、本発明のディスプレイ装置に係る実施例3の構成を示す。図5は、本発明の実施例1を用いたレーザディスプレイの構成原理を示す図である。機能及び動作が実施例1のものと同等の部分はブロックとして図示し、入出力のみを示した。

垂直走査手段31は、アクチュエータ31aと光学偏向板31bとで構成される。垂直走査手段31は、図示しない角度検出手段を有しており、アクチュエータ31aの角度を検出して時間信号y₃(t)をブロック32に出力する。ブロック32は、実施例1のフーリエ変換器3、減算器4、除算器5、加算器6、記憶装置7、遅延検出器8、フーリエ逆変換器9、駆動回路10を含む。これらは、集合x₁、集合u₁、集合x₂、集合x₃、集合x₄、集合x₅、集合x₆によって、実施例1で説明したものと同等の接続関係となっている。

また、水平走査手段33、駆動装置34、信号S₆、信号sync₃は、それぞれ実施例1の水平走査手段11、駆動回路13、信号S₂、信号sync₁と同等である。レーザ35はレーザディスプレイの光源で、半導体レーザダイオード等である。レーザ35から出力された光は、水平走査手段33に入射されて水平方向に走査される。水平方向に走査された光は、続いて、垂直走査手段31に入射されて垂直方向に走査され、光照射対象物であるスクリーン36に投射される。

駆動装置34は数値保持手段34aを有する。保持する数値をN₃とする。駆動装置34において、数値保持手段34aの数値N₃は、実施例1の数値保持手段16から出力される数値N₁と同等の役割を持つ。すなわち、垂直走査手段31の走査周期と水平走査手段33の走査周期の比を定め、たとえ水平走査手段33の走査周期が変化したとしても、垂直走査手段31の走査周期を同じ変化率で変化させることで、この比を一定に保つ。このとき、垂直走査手段31の位相と水平走査手段33の位相は常に一定であるから、走査光は垂直走査毎に同じ軌跡を通る。

図6は、スクリーン36の中央付近を拡大した図である。スクリーン36上の軌跡は、a1とa1’を結ぶ線（以下、a1-a1’の様に記す）、a2-a2’、a3-a3’、a4-a4’上を常に通る。このとき、レーザ光のスクリーン36上の照射位置に同期して、画像データに応じてレーザ35の発光量を変化させることで、画像をスクリーン36上に精度良く描画することができる。すなわち、水平走査手段33の走査周期が変化した場合、レーザ光がスクリーン36上の所期の照射位置に来る時間は、その変化に応じてシフトするが、そのシフトを考慮したタイミングでレーザ35を変調させれば良好な画像が安定して得られる。

本実施例では、光源であるレーザは1つであったが、複数で構成してもよい。赤、緑、青のレーザを用いれば、フルカラーディスプレイを構成することが可能である。また、実施例2の応用例としても、本実施例と同等のレーザディスプレイを構成することができる。

本発明は、本実施例のようなレーザディスプレイ装置の他にも、次のようなものにも適用することができる。例えば、レーザビームプリンタなどの画像形成装置、データレコーダ、光造形システム、レーザ顕微鏡、バーコードリーダ、光通信デバイス（例えば光スイッチ、アテネータ）、等にも適用することができる。

本発明の光学走査装置に係る実施例1の構成を説明する図である。 同期信号発生器14の詳細を説明する図である。 遅延検出の原理を説明する図である。 本発明の光学走査装置に係る実施例2の構成を説明する図である。 本発明のレーザディスプレイに係る実施例3の構成を説明する図である。 スクリーン上のレーザ光の軌跡を説明する図である。

符号の説明

1、31 垂直走査手段（第1の光偏向器）
1a、31a アクチュエータ（第1の光偏向器）
1b、11a、18a、31b 光学偏向板（第1の光偏向器、第2の光偏向器）
2、19 第1の検出手段
3、20 フーリエ変換器（周波数領域変換手段）
4、21 減算器（駆動信号調整手段）
5、22 除算器（駆動信号調整手段）
6、23 加算器（駆動信号調整手段）
7、24 記憶装置（駆動信号調整手段）
8、25 遅延検出器（時間領域変換手段）
9、26 フーリエ逆変換器（時間領域変換手段）
10、13、27、29 駆動回路
11、33 水平走査手段（第2の光偏向器）
12、28 第2の検出手段
14、30 同期信号発生器（信号供給手段）
18 走査手段（第1の光偏向器、第2の光偏向器）
32 ブロック（周波数領域変換手段、保持手段、駆動信号調整手段、時間領域変換手段）
34 駆動装置（駆動回路、信号供給手段）
35 レーザ（光源）
36 スクリーン（光照射対象物）

Claims (10)

1. 複数方向に走査可能な光学走査装置であって、
   第1の方向に走査可能な第1の光偏向器と、
   周期的に変化する駆動信号に基づき前記第1の光偏向器を駆動する駆動回路と、
   前記第1の光偏向器の応答信号を検出する第1の検出手段と、
   前記第1の検出手段で検出される応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する周波数領域変換手段と、
   前記周波数領域変換手段による変換結果の目標結果を保持する保持手段と、
   前記周波数領域変換手段からの変換結果の信号と前記保持手段からの目標結果を比較した結果に応じて、前記駆動信号を周波数領域で調整する駆動信号調整手段と、
   前記駆動信号調整手段からの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換して前記駆動回路に供給する時間領域変換手段と、
   第2の方向に走査可能な第2の光偏向器と、
   前記第2の光偏向器の走査周期を検出する第2の検出手段と、
   前記第2の検出手段で検出される前記第2の光偏向器の走査周期の信号から、前記第2の光偏向器の走査周期の変化率の情報を含む信号を生成し、該信号を前記周波数領域変換手段と前記駆動信号調整手段と前記時間領域変換手段とに供給する信号供給手段と、
   を有し、
   前記周波数領域変換手段は、前記信号供給手段からの信号を参照して、前記第1の検出手段で検出される応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換し、
   前記駆動信号調整手段は、前記信号供給手段からの信号をも参照して、前記駆動信号を周波数領域で調整し、
   前記時間領域変換手段は、前記信号供給手段からの信号をも参照して、前記駆動信号調整手段からの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換し、
   前記第2の光偏向器の走査周期が変化しても該第2の光偏向器の走査周期と同じ変化率で前記第1の光偏向器の走査周期を変化させることで、前記第1の光偏向器の走査周期と前記第2の光偏向器の走査周期との比が一定の関係になるように、前記第1の光偏向器は、前記駆動回路により、前記第2の光偏向器と連動して駆動される、
   ことを特徴とする光学走査装置。
2. 前記第1の光偏向器の応答信号の周期が、前記第2の検出手段により検出される前記第2の光偏向器の走査周期の変化率と等しい変化率で変化させられて制御されるように、前記信号供給手段は前記信号を生成することを特徴とする請求項1記載の光学走査装置。
3. 前記第1の光偏向器の走査周期と前記第2の光偏向器の走査周期が整数比の関係にあるように、前記信号供給手段は前記信号を生成することを特徴とする請求項2記載の光学走査装置。
4. 前記走査可能な複数方向は2方向であることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の光学走査装置。
5. 前記第1の方向と前記第2の方向は同一平面上にあることを特徴とする請求項4記載の光学走査装置。
6. 前記第2の光偏向器は、シリコンのねじりバネのバネ定数とシリコンの平面板の質量とによるバネ・マス共振現象によって前記平面板を前記ねじりバネの軸中心に揺動させることで光走査する走査装置であることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の光学走査装置。
7. 周期的に変化する駆動信号に基づき駆動される、第1の方向に走査可能な第1の光偏向器及び第2の方向に走査可能な第2の光偏向器において、
   前記第2の光偏向器の走査周期を検出して、前記第2の光偏向器の走査周期に比例した周期信号を生成し、前記周期信号に基づき第1の方向に走査可能な第1の光偏向器を駆動する駆動方法であって、
   前記第1の光偏向器の応答信号を前記周期信号の1周期にわたり検出する第1のステップと、
   前記第1のステップで検出する応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換する第2のステップと、
   前記第2のステップの変換結果の目標結果を保持する第3のステップと、
   前記第2のステップの変換結果の信号と前記第3のステップの目標結果を比較した結果に応じて、前記駆動信号を周波数領域で調整する第4のステップと、
   前記第4のステップの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換して前記第1のステップにおける駆動信号として供給する第5のステップと、
   を有し、
   前記第2のステップでは、前記周期信号を参照して、前記第1のステップで検出する応答信号を時間領域の表現から周波数領域の表現に変換し、
   前記第4のステップでは、前記周期信号をも参照して、前記駆動信号を周波数領域で調整し、
   前記第5のステップでは、前記周期信号をも参照して、前記第4のステップの駆動信号を周波数領域の表現から時間領域の表現に変換し、
   前記第2の光偏向器の走査周期が変化しても該第2の光偏向器の走査周期と同じ変化率で前記第1の光偏向器の走査周期を変化させることで、前記第1の光偏向器の走査周期と前記第2の光偏向器の走査周期との比が一定の関係になるように、前記第1のステップで検出する前記第1の光偏向器の応答信号の周期を、前記周期信号に基づいて制御しつつ、前記第2の光偏向器と連動して前記第1の光偏向器を駆動する、
   ことを特徴とする光学走査装置の駆動方法。
8. 前記第1のステップで検出する前記第1の光偏向器の応答信号の周期を、前記第2の光偏向器の走査周期の変化率と等しい変化率で変化させて制御するように、前記周期信号を生成することを特徴とする請求項7記載の光学走査装置の駆動方法。
9. 前記周期信号を、前記第1の光偏向器の走査周期と前記第2の光偏向器の走査周期が整数比の関係にあるように、生成することを特徴とする請求項8記載の光学走査装置の駆動方法。
10. 請求項1から6の何れか1項に記載の光学走査装置と、光照射対象物を有し、
    前記光学走査装置は、光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を前記光照射対象物に入射させる、
    ことを特徴とする光学機器。

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