JP5245829B2

JP5245829B2 - レーザプロジェクタ

Info

Publication number: JP5245829B2
Application number: JP2008534264A
Authority: JP
Inventors: 俊二對田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: US20090316243A1; WO2008032485A1; JPWO2008032485A1; CN101517455B; US8519324B2; CN101517455A

Description

本発明は、レーザ光をラスタ走査して画像を投射表示するレーザプロジェクタに関し、特にレーザの水平走査用振動ミラーの振れ角調整機能を備えたレーザプロジェクタに関する。

レーザ光をラスタ走査して画像を投射表示するレーザプロジェクタには、水平走査に数十ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚ程度の高い動作速度に加え、光学角で±２０°以上の高い振れ角を必要とするものがある。このような高速動作、高振れ角の走査を実現する手段として、振動ミラーを共振点近くで動作させて使用する方法がある。

この振動ミラーは、共振周波数近くのわずかな動作周波数範囲では高い振れ角を実現できるが、動作周波数が共振周波数からずれると極端に振れ角が減少する。また、この共振周波数は、材質・形状・温度等に依存し、製造ばらつき及び動作温度により変化する。そのため、振動ミラーを高い振れ角で動作させるためには共振周波数と動作周波数をできるだけ接近させて使用する必要があり、振動ミラーの共振周波数を所定の動作周波数に接近させるか、又は、動作周波数を振動ミラーの共振周波数に接近させるように調整して使用される。

一方、振動ミラーは振れ角を高くすればするほど動作故障を起こす可能性が増大する。このため、振動ミラーを高い振れ角で動作させるような場合には、その振れ角が規定の振れ角を越えないように制御することが望ましい。また、振動ミラーの動作周波数を共振周波数から外れて動作させた場合には、共振周波数で動作させた場合よりも入力信号の強度を高くする必要が生じるため、振動ミラーを駆動する回路に対する負荷が増大する。

従って、振動ミラーを高触れ角で動作させる場合の振れ角調整時には、振動ミラーの振れ角が所定の振れ角を超えないようにすること、および、共振周波数で動作するように調整されることが望ましい。

振動ミラーの振れ角調整を行う際には振動ミラーの振れ角を正確に検知する必要がある。振動ミラーの振れ角の検知方法として、光センサを使用して光センサ上を光が通過するタイミングから振動ミラーの振れ角を検知する方法が広く取り入れられている。

例えば、特開２００４−０５３９４３号公報（特許文献１）では、走査開始側と走査終端側に対応した部分に同期センサを設置し、振動ミラーの振れ角を検知すると共に、検知結果を基に駆動周波数を補正する手法が示されている。図１を用いて、特許文献１に記された振動ミラーの振れ角を検知し、調整する方法について説明する。図１（ａ）は、特許文献１に記載された半導体レーザ、可動ミラーの駆動制御を表すブロック図、（ｂ）は、可動ミラーの振幅と駆動パルスのタイミングチャートである。

図１（ａ）において、符号９０１は駆動パルス生成部、９０２は可動ミラー駆動部、９０４は同期検知センサ、９０５は終端検知センサ、９０６はＬＤ駆動部、９０７はクロックパルス生成部、９０８は位相同期部、９０９は倍率演算部、９１０は振幅演算部を夫々示す。

駆動パルス生成部９０１は、基準クロックをプログラマブル分周器（不図示）で分周し、図１（ｂ）に示すように可動ミラーの１／２周期に１回、且つ最大振幅時から水平となるまでの期間のみに、電圧パルスが印加されるように駆動周波数ｆｄ（＝１／Ｔ₀）の２倍の周波数でデューティが５０％以下のパルス列（Ｔ＜Ｔ₀／４）を生成し、ＰＬＬ回路により所定の位相遅れδを生じさせて駆動周波数ｆｄとして可動ミラー駆動部９０２に与える。

電源投入時、及び待機状態から起動する際には、プログラマブル分周器で連続的に分周比を変えることで、駆動周波数ｆｄを高周波側から可変して励振し、同期検知センサ９０４で光ビームが検出されるまで走査角が拡大したことをもって共振振動帯域であることを判断する。それと共に、走査開始側と走査終端側との時間差から走査角を算出し、可変ミラーの振れ角（振幅）が所定値となるように駆動周波数が設定される。

また、実用新案第２５２４１４０号公報（特許文献２）では、レーザ光を走査するレーザ走査装置において、レーザ光とは異なる入射角でスキャンミラーに照射光を照射し、スキャンミラーから反射された照射光を受光する受光手段としてラインセンサを設置し、ラインセンサでスキャナの振れ角を検出し、スキャンミラーの振れ角のずれを補正する手法が記されている。

図２は、特許文献２に記載のレーザ光走査装置の構成を示す斜視図である。以下に、図２を用いて、特許文献２に記された振動ミラーの振れ角を検知する方法について説明する。

図２において、レーザ発振器（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器など、図示せず）からの主レーザ光２１０は、ミラー２０３とガルバノメータ型オプティカルスキャナ（以下、スキャナという）２０１のスキャンミラー２０２とｆθレンズ２０４とを介して試料面２０５上に集光され、スキャンミラー２０２が回動されることにより位置決めされる。

ここで、主レーザ光２１０はスキャンミラー２０２に対して入射角４５°で入射し、スキャンミラー２０２で９５°に折返されて、即ち出射角１３５°でｆθレンズ２０４に向う。

一方、半導体レーザ２０６から出射されたレーザ光２１１はコリメートレンズ２０７で平行束になった後にスキャンミラー２０２に入射するが、このスキャンミラー２０２への入射角は主レーザ光２１０の入射角とは異なっており、主レーザ光２１０の出射角とは異なった角度でスキャンミラー２０２から反射され、円柱レンズ２０８を介してラインセンサ２０９上に集光される。

スキャナ２０１自身の動作発熱等の影響によりスキャナ２０１の最大振幅の振れ角が変化すると、スキャンミラー２０２から反射した半導体レーザ２０６のレーザ光２１１のラインセンサ２０９上での集光位置も変化し、ラインセンサ２０９からの位置情報が変化する。この位置情報を基にスキャナ２０１を駆動する信号を補正することで主レーザ光２１０を正確に位置決めすることができる。

更に、特許文献３（特開２００５−２４１４８２号公報）では、レーザディスプレイ装置に搭載された振動ミラーの共振周波数の検出方法について記載されている。

図３は、特許文献３に記載のレーザディスプレイ装置を模式的に示した斜視図である。以下に、図３を用いて、特許文献３に記されたレーザディスプレイ装置に搭載された振動ミラーの共振周波数の検出方法について説明する。

図３において、受光素子（ラインセンサ）３０１、光源４０１、偏向手段４０２、出射光４０３、偏向光４０４及び４０５、走査線４１０、第２の偏向手段４１１、偏向光４１２、遮蔽部４１３、走査領域４１４、走査線の軌跡４１５、投影面４２０が図示されている。図３の装置は、レーザである光源４０１から出射光４０３を出射し、偏向手段４０２と第２の偏向手段４１１により２次元走査することにより、投影面４２０に画像を表示するレーザディスプレイ装置である。

また、図４（ａ）は、図３に示す受光素子３０１上を偏向光が往復する様子を表し、図４（ｂ）は、偏向光の振れ角が異なる場合の様子を表した模式図である。図４に示すように、ラインセンサである受光素子３０１は、複数の受光領域３０２に分かれており、一番左側の受光領域を“１”とし、右方向に順に“Ｎ”まで番号が付されている。また、符号３０３は偏向光が走査される領域を示す。

レーザディスプレイ装置の電源がＯＮされると制御が開始され、光源４０１が全点灯する。次に、偏向手段４０２への印加信号の周波数は、予め設定された開始周波数に設定され、その周波数での偏向光の折り返し位置を、受光素子３０１を用いて検出する。その後、予め設定されたステップ分だけ周波数を変化させる。そして、予め設定された終了周波数になるまで、周波数変化と折り返し位置の検出が繰り返し行われる。

ここで、偏向光の折り返し位置が一番左の受光領域にある場合、折り返し位置は「１」と検出され（図４（ａ）を参照）、折り返し位置が左側からｐ番目にあるとすると、「ｐ」と検出されるものとする（図４（ｂ）を参照）。また、折り返し位置が受光素子３０１を通り過ぎてしまっている場合（受光素子３０１の右側に位置している場合）には、折り返し位置は「Ｎ＋１」とし、逆に、折り返し位置が、受光素子３０１に到達していない場合には、折り返し位置は「０」とする。これにより、受光素子３０１又はその近傍上での折り返し位置を検出することにより、偏向手段４０２の偏向状態を検出することができる。

偏向手段４０２への印加信号の周波数と受光素子３０１から得られた偏向光の折り返し位置との関係をグラフ化した例を図５に示す。グラフ化されたプロット点はほぼ線対称となり、対称軸に相当する周波数が共振周波数ｆｃとして算出される。この算出結果を元に、偏向手段４０２への印加信号の周波数が決定される。

特開２００４−０５３９４３号公報実用新案第２５２４１４０号公報特開２００５−２４１４８２号公報

しかしながら、上述の関連技術には以下に示すような問題点がある。

特許文献１に記載の振動ミラーの振れ角検知方法においては、振動ミラーの動作周波数が共振周波数に一致しない場合には、共振周波数で動作させた場合に比べ動作周波数における入力信号の強度を高くしなければならず、電力をより消費するという問題点がある。この原因は、予め入力信号の強度を高く固定しておいて、動作周波数を変化させて振動ミラーが所定の振れ角になるように動作周波数を調整しているためである。これは、レーザの走査幅が確実に同期検知センサと終端検知センサとの間隔以上になるようにするために、予め入力信号強度を高くしておかなければならないためである。

また、特許文献２に開示された振動ミラーの振れ角検知方法にも問題点がある。即ち、部品点数が多くなり、小型化、低コスト化の弊害となる点である。この原因は、画像表示に使用するレーザ光源以外に振動ミラーの振れ角を検出するための光源を別途準備しなければならないためである。

また、特許文献３に開示されたレーザプロジェクタ装置に搭載された振動ミラーの共振周波数検出方法及び動作周波数の調整方法においては、レーザ光の振れ幅の調整が正確にできないこと、画像投射開始後の振動ミラーの共振周波数変化に対して短時間で共振周波数に調整することが困難であるという問題点がある。この原因は、受光素子が、調整されるべきレーザ光の振れ幅の範囲内におけるある程度狭い領域に設けられているため、調整されるべきレーザ光の振れ幅の端部近傍におけるレーザ光の情報、特に、偏向走査光の折り返し位置についての情報、を正確に得ることが困難だからである。また、共振周波数を検出するためには、ある程度広い周波数範囲で駆動周波数を変化させる必要があるからである。

更に、レーザ光はエネルギー密度が高い状態で人体、特に目に当たると損傷を与え得るため、レーザの走査が正常な状態でレーザ光を投射する必要がある。このため、走査ミラーの異常により正常なレーザ走査ができなくなった場合には、レーザ光の投射を瞬時に遮断できる構造を備えることが望ましい。しかしながら、上述の関連技術は、このような安全性の問題に対処するものではない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、レーザ光をラスタ走査して画像を表示するレーザプロジェクタにおいて、水平走査に使用する振動ミラーの振れ角が低い場合でも画像表示用のレーザ光源以外に光源を設けることなく振れ角を確実に検知でき、振動ミラーが共振周波数で所定の振れ角になるように調整する際、所定の振れ角を越えずに精度良く調整できるレーザプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係るレーザプロジェクタは、レーザ光を発光する発光源と、
投射画像に応じてレーザ光の強度を変調する変調部と、
強度変調されたレーザ光を共振動作により水平走査する振動ミラーと、
強度変調されたレーザ光を垂直走査する垂直走査ミラーと、
前記振動ミラーの振れ角を検出する振れ角検出部と、
前記振動ミラーの振れ角を検出した結果を基に前記振動ミラーの振れ角を調整する振れ角調整部と、を有し、
前記振れ角検出部は、前記振動ミラーによるレーザ光の水平走査方向と平行に配列された複数個の光検知素子から構成される光検知素子アレイを有し、この光検知素子アレイは、該光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子が、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の水平走査範囲を含むより広い範囲の中央部から両端部に亘って配置されていることを特徴とする。

また、前記光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子は、等間隔では配列されていないように構成することができる。

また、前記光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子の配列は、その中央部より端部においてより密であることが好ましい。

また、前記光検知素子アレイは、透明基板上に配置された半導体層から形成することができる。

また、前記振れ角調整部は、前記振動ミラーの駆動信号の周波数及び強度を調整することができる。

また、前記振れ角調整部は、前記振動ミラーの駆動信号の周波数を共振周波数に一致させた後、前記振動ミラーの駆動信号の強度を変化させることで、前記振動ミラーの振れ角を調整することが好ましい。

また、前記振動ミラーの振れ角調整時に、レーザ光が前記光検知素子アレイ上を水平走査するように、前記垂直走査ミラーの向きを固定することができる。

また、前記振動ミラーの振れ角は垂直ブランキング期間毎に検知され、前記振れ角調整部により、前記振動ミラーの振れ角が調整されることが好ましい。

本発明に係るレーザプロジェクタは、レーザ光を発光する発光源と、投射画像に応じてレーザ光の強度を変調する変調部と、
強度変調されたレーザ光を共振動作により水平走査する振動ミラーと、
強度変調されたレーザ光を垂直走査する垂直走査ミラーと、前記振動ミラーの振れ角を検出する第１の振れ角検出部と、
前記振動ミラーの振れ角を検出した結果を基に前記振動ミラーの振れ角を調整する第１の振れ角調整部と、
前記垂直走査ミラーの振れ角を検出する第２の振れ角検出部と、
前記垂直走査ミラーの振れ角を検出した結果を基に前記垂直走査ミラーの振れ角を調整する第２の振れ角調整部と、を有し、
前記第１の振れ角検出部は、前記振動ミラーによるレーザ光の水平走査方向と平行に配列された複数個の光検知素子から構成される第１の光検知素子アレイを有し、この第１の光検知素子アレイは、該第１の光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子が、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の水平走査範囲を含むより広い範囲の中央部から両端部に亘って配置されており、前記第２の振れ角検出部は、複数個の光検知素子を有し、この複数個の光検知素子は、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の垂直走査終端部を含むように配列されていることを特徴とする。

また、前記第１の振れ角調整部における前記第１の光検知素子アレイと前記第２の振れ角調整部における複数個の前記光検知素子とが、同一の透明基板上に夫々配置された半導体層から形成されていることが好ましい。

また、前記第１の振れ角検出部は、前記第１の光検知素子アレイに加えて第２の光検知素子アレイを有し、この第２の光検知素子アレイは、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の水平走査方向端部に沿って配置され、前記透明基板上に配置された半導体層から形成されていることが好ましい。

また、前記透明基板上に成膜された金属膜をエッチングすることにより、レーザ光の投射口を形成することができる。

本発明においては、水平走査用の振動ミラーの振れ角を検知、調整するための光検知素子アレイがレーザ光の水平走査方向と平行に配置されており、この光検知素子アレイは調整されるレーザ光の振れ角範囲よりも広い範囲に配置されている。本発明によれば、画像の表示に使用されるレーザ光源以外に振動ミラーの振れ角検知用の光源を準備することなく、水平走査用の振動ミラーの振れ角が小さい場合においても振れ角を検知できるようになり、振動ミラーの動作周波数が共振周波数に一致するように調整する際に、オーバードライブによる振動ミラーの故障を回避することができる。そして、規定の振れ角が確保できない場合には、レーザ光がレーザプロジェクタから出射されないように制御することで安全性が確保できる。

また、振動ミラーの振れ角検知用の光検知素子アレイと共に、垂直走査ミラーの振れ角検知用光素子と画像投射時の水平走査用振動ミラーの振れ角検知用素子とを例えば透明基板である同一部品に作り込むことにより、部品点数を増やすことなく垂直走査ミラーの振れ角の検知と、画像投射時の振動ミラーの振れ角の検知とが可能となる。また、振れ角は規定の範囲を確保できない異常時には、瞬時にレーザ光の投射を停止することにより、安全性が確保できる。

更に、映像投射開始後もフレーム間毎に振動ミラーの振れ角を検知し、振れ角の補正がなされるので、振れ幅が安定した画像投射を維持することができる。

図１（ａ）は、特許文献１に記載された半導体レーザ、可動ミラーの駆動制御を表すブロック図、図１（ｂ）は、可動ミラーの振幅と駆動パルスのタイミングチャートである。図２は特許文献２に記載のレーザ光走査装置の構成を示す斜視図である。図３は、特許文献３に記載のレーザディスプレイ装置を模式的に示した斜視図である。図４（ａ）は、図３に示す受光素子上を偏向光が往復する様子を表し、図４（ｂ）は、偏向光の振れ角が異なる場合の様子を表した模式図である。図５は、図３に示すレーザディスプレイ装置において、偏向手段への印加信号の周波数と受光素子から得られた偏向光の折り返し位置との関係をグラフ化した例である。図６は、本発明の第１の実施形態に係るレーザプロジェクタの構造を示す斜視図である。図７は、図６に示すレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。図８は、図７に示す光検知素子アレイと外部回路との接続を表す模式図である。図９は、図６に示すレーザプロジェクタの動作制御を表すブロック図である。図１０は、本発明の第１の実施形態の別の構成例を示す斜視図である。図１１は、本発明の第２の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。図１２は、本発明の第３の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。図１３は、本発明の第３の実施形態の別の構成例を示す斜視図である。図１４は、本発明の第４の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。図１５は、本発明の第５の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。

符号の説明

１１；半導体レーザ
１２；集光レンズ
１３；変調器
１４；コリメートレンズ
２１；水平走査ミラー
２２；垂直走査ミラー
３０；フレーム
３２；光検知素子アレイ
３３；ＰＩＮフォトダイオード
３４；垂直走査用光検知素子
３５、３６；水平走査用光検知素子
２６；ＦＰＣ
４０；投射口
４１；走査領域
４２；投射領域
５１；制御回路
５２；レーザドライバ
５３；映像処理回路
５４；水平走査ミラードライバ
５５；垂直走査ミラードライバ
５６；振れ角検知回路
１１１；半導体レーザ
１１２；集光レンズ
１１３；変調器
１１４；コリメートレンズ
１１５；ダイクロイックミラー

次に、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。図６は、本発明の第１の実施形態に係るレーザプロジェクタの構造を示す斜視図である。また、図７は、図６に示すレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。

図６に示すように、本実施形態のレーザプロジェクタは、レーザ光源である半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１から出射されたレーザ光を集光する集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光されたレーザ光を入力してレーザ光の光強度を変調して出力する変調器１３と、変調器１３から出力されたレーザ光を平行光化するコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４により平行光となったレーザ光を受けてレーザ光を水平方向に走査する振動型ミラーである水平走査ミラー２１と、水平方向に走査されたレーザ光を更に垂直方向に走査するリニア走査型ミラーである垂直走査ミラー２２と、を備えている。

レーザ光が二次元走査される領域内で、投射画像に対応したレーザ光強度を変調器１３により制御することで投射口４０から投射領域４２に画像を表示する。振動型ミラーである水平走査ミラー２１は、レーザ光を水平方向に往復偏向させ、この水平走査ミラー２１の駆動信号周波数を水平走査ミラー２１の固有共振振動数と一致させることにより、より大きな振れ幅を得ることができる。

図６及び図７に示すように、本実施形態のレーザプロジェクタは、例えばアルミニウム製のフレーム３０に内蔵されており、このフレーム３０の一側面には、レーザ光がレーザプロジェクタ内部から外部へ出射するための投射口４０が形成されている。レーザ光は投射口４０を含む走査領域４１を走査する。投射口４０の形状は例えば矩形であり、フレーム３０における投射口４０の上縁に沿って、例えばガラスからなる透明基板３１が配置されている。その透明基板３１上には、例えばアモルファスシリコン膜を半導体層としたＰＩＮフォトダイオード３３のアレイが形成され、これらは光検知素子アレイ３２としてレーザ光の水平走査方向と平行となるようにパターニングされている。

図８は、図７に示す光検知素子アレイと外部回路との接続を表す模式図である。図８に示すように、光検知素子アレイ３２を構成する各フォトダイオード３３のアノード側は共通電極として配線され、カソード側は夫々独立して配線され、これらはＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）３６を介して振れ角検知回路５６に接続されている。

図９は、図６に示すレーザプロジェクタの動作制御を表すブロック図である。図９に示すように、振れ角検知回路５６は、光検知素子アレイ３２の出力情報から、水平走査ミラー２１の振れ角を検知する。制御回路５１は、振れ角検知回路５６から水平走査ミラー２１の振れ角情報を得ると共に、レーザドライバ５２、映像信号処理回路５３、水平走査ミラードライバ５４、垂直走査ミラードライバ５５を制御する。レーザドライバ５２は、半導体レーザ１１から出力するレーザ光のＯＮ、ＯＦＦを切り替えると共に、定出力制御を行う。映像信号処理回路５３は水平走査ミラー２１側に出力するレーザ光の強度を制御する変調器１３へ信号を入力する。水平走査ミラードライバ５４は、水平走査ミラー２１に入力する信号の周波数と強度を制御する。垂直走査ミラードライバ５５は、垂直走査ミラー２２に入力する信号の強度を制御する。

次に、上述の如く構成された本実施形態のレーザプロジェクタの動作について説明する。レーザプロジェクタの立ち上げ時には、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように以下のように設定する。垂直走査ミラードライバ５５の出力信号を制御し、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きを固定する。

次に、水平走査ミラードライバ５４により水平走査ミラー２１の動作周波数と共振周波数とが一致した場合でも、振れ角が所定の振れ角を越えない程度の信号強度により水平走査ミラー２１の走査を開始する。レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からレーザ光の出射を開始すると共に、光検知素子アレイ３２の出力から、光を検知する素子と検知しない素子との境界情報を基に、振れ角検知回路５６で水平走査ミラー２１の振れ角を検知する。水平走査ミラー２１の振れ角を検知しながら、水平走査ミラードライバ５４から水平走査ミラー２１に入力する駆動信号の周波数を変化させ、水平走査ミラー２１の振れ角が最大となるように駆動周波数を調整し、動作周波数を共振周波数に一致させる。

更に、水平走査ミラー２１の振れ角を検知しながら、水平走査ミラードライバ５４から水平走査ミラー２１に入力する駆動信号の強度を上げ、水平走査ミラー２１の振れ角が規定の振れ角になるように調整する。振れ角が規定の振れ角に調整できない場合には、レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からのレーザ光の出射を停止する。

水平走査ミラー２１の振れ角が所定の振れ角に調整された後、変調器１３によるレーザ光強度変調のタイミングと光検知素子アレイ３２を構成する各検知素子の出力情報から、水平走査ミラードライバ５４から水平走査ミラー２１へ入力される信号と水平走査ミラー２１の振動の位相差を測定する。

その後、水平走査ミラー２１の振動を基準として垂直走査ミラー２２の走査を開始すると共に、映像信号処理回路５３により変調器１３を制御することで、投射画像に対応したレーザ光の強度変調を行う。画像投射開始後は、１フレーム分の画像を表示後、次のフレームの画像を表示するまでの間に、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きが固定され、水平走査ミラー２１の振れ角を検知する。水平走査ミラー２１の振れ角が規定値から外れた場合には水平走査ミラードライバ５４による駆動信号の調整を行い、規定の振れ角になるように調整する。この際、規定の振れ角に調整できない場合には、レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からのレーザ光出射を停止する。

本実施形態のレーザプロジェクタによれば、画像の表示に使用される半導体レーザ１１以外に振動型ミラーである水平走査ミラー２１の振れ角検知用の光源を準備することなく、水平走査ミラー２１の振れ角が小さい場合においても振れ角を検知できる。そして、動作開始時の振れ角の調整、即ち、水平走査ミラー２１の動作周波数が共振周波数に一致するように調整する際に、振れ角が規定の振れ角を超えないので、オーバードライブによる水平走査ミラー２１の破壊を防ぐことができる。また、１フレーム表示毎に水平走査ミラー２１の振れ角を検知し、振れ角の調整が行われるので、安定した走査幅を実現できる。更に、水平走査ミラー２１が正常な振れ角に調整できない場合には、レーザ光がプロジェクタから投射されないので安全である。

なお、上述した実施形態では、レーザ光源である半導体レーザは１つであるが、図１０に示すように、複数個の波長の異なる半導体レーザ１１１を光源として使用し、夫々の半導体レーザ１１１に対し、集光レンズ１１２、変調器１１３、及びコリメートレンズ１１４を設置し、複数経路を伝播し夫々平行光化されたレーザ光を、ダイクロイックミラー１１５を用いて同一軸上にまとめ、水平走査ミラー２１及び垂直走査ミラー２２を用いて二次元走査し、画像を投射してもよい。なお、図１０におけるその他の構成は、図６に示す構成と同様である。そのため、同一の構成物には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザプロジェクタについて説明する。図１１は、第２の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。

本実施形態と第１の実施形態との違いは、透明基板上にパターニングされた光検知素子アレイを構成する光検知素子の配置が、本実施形態では水平走査ミラーの振れ角が規定の振れ角になる位置の周辺でより密になっている点である。

図１１に示すように、レーザプロジェクタのフレーム３０には、レーザ光を通過させる投射口４０が形成されており、レーザ光はこの投射口４０を含む走査領域４１を走査する。また、投射口４０の形状は例えば矩形であり、フレーム３０における投射口４０の上縁に沿って、例えばガラスからなる透明基板３１が配置されている。その透明基板３１上には、例えばアモルファスシリコン膜を半導体層としたＰＩＮフォトダイオード３３のアレイが形成され、これらは光検知素子アレイ３２としてレーザ光の水平走査方向と平行となるようにパターニングされている。更に、本実施形態においては、検知素子の配列は、アレイ中央部より端部側でより密になっている。

次に、第２の実施形態のレーザプロジェクタの動作について説明する。レーザプロジェクタの立ち上げ時には、先ず、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように設定する。即ち、垂直走査ミラードライバ５５の出力信号を制御し、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きを固定する。

次に、水平走査ミラードライバ５４により水平走査ミラー２１の動作周波数と共振周波数とが一致した場合でも振れ角が所定の振れ角を越えない程度の信号強度で水平走査ミラー２１の走査を開始する。レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からレーザ光の出射を開始すると共に、光検知素子アレイ３２の出力から、光を検知する素子と検知しない素子との境界情報を基に、振れ角検知回路５６で水平走査ミラー２１の振れ角を検知する。水平走査ミラー２１の振れ角を検知しながら、水平走査ミラードライバ５４から水平走査ミラー２１に入力する駆動信号の周波数を変化させ、水平走査ミラー２１の振れ角が最大となるように駆動周波数を調整し、動作周波数を共振周波数に一致させる。

その後、水平走査ミラー２１の振動を基準として垂直走査ミラー２２の走査を開始すると共に、映像信号処理回路５３により変調器１３を制御することで、投射画像に対応したレーザ光の強度変調を行う。画像投射開始後は、１フレーム分の画像を表示後、次のフレームの画像を表示するまでの間に、レーザ光が光検知素子アレイ上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きが固定され、水平走査ミラー２１の振れ角を検知する。水平走査ミラー２１の振れ角が規定値から外れた場合には水平走査ミラードライバ５４による駆動信号の調整を行い、規定の振れ角になるように調整する。この際、規定の振れ角に調整できない場合には、レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からのレーザ光出射を停止する。

本実施形態のレーザプロジェクタによれば、第１の実施形態で得られる効果に加え、水平走査ミラー２１の振れ角の検知精度を向上させることができる。これは、レーザ光の水平往復走査における折り返し位置を、より密に配置された光検知素子により、精度良く検知することができるからである。

次に、本発明の第３の実施形態に係るレーザプロジェクタについて説明する。図１２は、第３の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。本実施形態と第２の実施の形態との違いは、本実施形態では、レーザが走査する範囲を囲むように透明基板が配置され、垂直走査用の光検知素子が、垂直走査終端側にパターニングされている点である。

図１２に示すように、本実施形態においては、レーザプロジェクタのフレーム３０には、レーザ光を通過させる投射口４０が形成されている。レーザ光はこの投射口４０を含む走査領域４１を走査する。また、レーザ光の走査領域４１を囲うように、透明基板３１が配置されている。そして、透明基板３１上には、ＰＩＮフォトダイオードアレイが光検知素子アレイ３２としてレーザ光の水平走査方向と平行となるように投射口４０の上縁に沿って設置されている。更に、レーザ光の垂直走査方向にもＰＩＮフォトダイオードが光検知素子３４として配置されている。即ち、透明基板３１上における投射口４０の下縁の中央部には、レーザ光の垂直走査方向に沿って複数個（図示例では、３個）の光検知素子３４が配置され、これらの光検知素子３４がレーザ光の垂直走査終端部を検出するように配置されている。

次に、図９を参照して、レーザプロジェクタの動作制御について説明する。振れ角検知回路５６は、光検知素子アレイ３２の出力情報から、水平走査ミラー２１の振れ角を検知すると共に、光検知素子３４の出力情報から、垂直走査方向の振れ角を検知する。制御回路５１は、振れ角検知回路５６から水平走査ミラー２１の振れ角及び垂直走査ミラー２２の振れ角情報を得るとともに、レーザドライバ５２、映像信号処理回路５３、水平走査ミラードライバ５４、垂直走査ミラードライバ５５を制御する。レーザドライバ５２は、半導体レーザ１１から出力するレーザ光のＯＮ、ＯＦＦを切り替えると共に、定出力制御を行う。映像信号処理回路５３は水平走査ミラー２１側に出力するレーザ光の強度を制御する変調器１３へ信号を入力する。水平走査ミラードライバ５４は、水平走査ミラー２１に入力する信号の周波数と強度を制御する。垂直走査ミラードライバ５５は、垂直走査ミラー２２に入力する信号の強度を制御する。

次に、本実施形態に係るレーザプロジェクタの動作について説明する。レーザプロジェクタの立ち上げ時には、先ず、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように設定する。このため、垂直走査ミラードライバ５５の出力信号を制御し、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きを固定する。

次に、垂直走査ミラードライバ５５により垂直走査終端となる信号を垂直走査ミラー２２へ入力する。垂直走査用光検知素子３４の出力情報から振れ角検知回路５６で垂直走査ミラー２２の振れ角を検知し、調整が必要な場合は垂直走査ミラードライバ５５からの信号を調整する。調整完了後、水平走査ミラー２１の振動を基準として垂直走査ミラー２２の走査を開始すると共に、映像信号処理回路５３により変調器１３を制御することで、投射画像に対応したレーザ光の強度変調を行う。

画像投射開始後は、１フレーム分の画像を表示後、次のフレームの画像を表示するまでの間に、垂直走査用光検知素子３４により垂直走査ミラー２２の振れ角を検知し、調整が必要な場合は垂直走査ミラードライバ５５からの信号を調整する。その後、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きが固定され、水平走査ミラー２１の振れ角を検知する。水平走査ミラー２１の振れ角が規定値から外れた場合には水平走査ミラードライバ５４による駆動信号の調整を行い、規定の振れ角になるように調整する。この際、規定の振れ角に調整できない場合には、レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からのレーザ光出射を停止する。

本実施形態のレーザプロジェクタによれば、第２の実施形態で得られる効果に加え、垂直走査ミラー２２の振れ角についてもモニタし、調整することが可能となる。

なお、上述の実施形態では、垂直走査用光検知素子３４は水平走査の中央部に配置されているが、これ以外の箇所でもよく、図１３に示すように、例えば水平走査の終端部に配置されてもよい。即ち、図１３においては、垂直走査用光検知素子３４は、レーザ光の水平走査の終端部である２箇所に夫々３個ずつ配置されている。また、垂直走査用光検知素子３４は、レーザ光の垂直走査の下方終端部を含むように、レーザ光の垂直走査方向に沿って配置されている。

次に、本発明の第４の実施形態に係るレーザプロジェクタについて説明する。図１４は、第４の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。本実施形態と第３の実施形態との違いは、本実施形態においては、透明基板３１上における投射口４０の左縁及び右縁に沿って、光検知素子アレイ３５及び３６がパターニングされている点である。

図１４に示すように、本実施形態においては、レーザプロジェクタのフレーム３０には、レーザ光を通過させる投射口４０が形成されている。レーザ光はこの投射口４０を含む走査領域４１を走査する。透明基板３１上には、光検知素子アレイ３２がレーザ光の水平走査方向と平行となるように投射口４０の上縁に沿って設置されている。また、透明基板３１上には、投射口４０の下縁の中央部には、レーザ光の垂直走査方向に沿って複数個（図示例では、３個）の光検知素子３４が配置されている。更に、透明基板３１上における走査領域４１内には、投射口４０の左縁及び右縁に沿って光検知素子アレイ３５が配置されている。更にまた、透明基板３１上には、走査領域４１境界のうちレーザ光の水平走査方向の端部から形成される境界に沿って、光検知素子アレイ３６が配置されている。即ち、光検知素子アレイ３６は、光検知素子アレイ３５に並ぶように配置されており、投射口４０に対して光検知素子アレイ３５の外側に配置されている。

次に、図９を参照して、レーザプロジェクタの動作制御について説明する。振れ角検知回路５６は、光検知素子アレイ３２の出力情報から、水平走査ミラー２１の振れ角を検知し、光検知素子３４の出力情報から、垂直走査方向の振れ角を検知すると共にに、光検知素子アレイ３５、３６の出力情報から水平走査ミラー２１の振れが正常であるかどうかを検知する。制御回路５１は、振れ角検知回路５６から水平走査ミラー２１の振れ角及び垂直走査ミラー２２の振れ角情報を得るとともに、レーザドライバ５２、映像信号処理回路５３、水平走査ミラードライバ５４、垂直走査ミラードライバ５５を制御する。レーザドライバ５２は、半導体レーザ１１から出力するレーザ光のＯＮ、ＯＦＦを切り替えると共に、定出力制御を行う。映像信号処理回路５３は水平走査ミラー２１側に出力するレーザ光の強度を制御する変調器１３へ信号を入力する。水平走査ミラードライバ５４は、水平走査ミラー２１に入力する信号の周波数と強度を制御する。垂直走査ミラードライバ５５は、垂直走査ミラー２２に入力する信号の強度を制御する。

次に、本実施形態のレーザプロジェクタの動作について説明する。レーザプロジェクタの立ち上げ時には、先ず、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように設定する。即ち、垂直走査ミラードライバ５５の出力信号を制御し、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きを固定する。

次に、垂直走査ミラードライバ５５により垂直走査終端となる信号を垂直走査ミラー２２へ入力する。垂直走査用光検知素子３４の出力情報から振れ角検知回路５６で垂直走査ミラー２２の振れ角を検知し、垂直走査ミラー２２の振れ角の調整が必要な場合は、垂直走査ミラードライバ５５からの信号を調整する。調整完了後、水平走査ミラー２１の振動を基準として垂直走査ミラー２２の走査を開始すると共に、映像信号処理回路５３により変調器１３を制御することで、投射画像に対応したレーザ光の強度変調を行うことで画像投射を開始する。

画像投射開始後は、１水平方向ラインの画像出力前後の水平ブランキング期間において、光検知素子アレイ３５の出力情報から、水平走査ミラー２１の振れが規定の振れ角かどうかをモニタする。振れ角が不足している場合は、更に光検知素子アレイ３６の出力情報から、レーザの振れが光検知素子アレイ３６まで振れているかどうかを検知する。光検知素子アレイ３６まで振れていないと検知した場合には、レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からのレーザ光出射を停止する。

１フレーム分の画像を表示後、次のフレームの画像を表示するまでの間に、垂直走査用光検知素子３４で、垂直走査ミラー２２の振れ角を検知し、調整が必要な場合は垂直走査ミラードライバ５５からの信号を調整する。その後、レーザ光が光検知素子アレイ３２上を走査するように垂直走査ミラー２２の向きが固定され、水平走査ミラー２１の振れ角を検知する。水平走査ミラー２１の振れ角が規定値から外れた場合には水平走査ミラードライバ５４による駆動信号の調整を行い、規定の振れ角になるように調整する。この際、規定の振れ角に調整できない場合には、レーザドライバ５２により半導体レーザ１１からのレーザ光出射を停止する。

本実施形態のレーザプロジェクタによれば、第３の実施形態で得られる効果に加え、水平走査ミラーの振れ角異常に対して瞬時にレーザ光の遮断が可能となるため、より安全なレーザプロジェクタの動作が可能となる。また、光検知素子アレイ３２に加えて、垂直走査用光検知素子３４と画像投射時の水平走査用の光検知素子アレイ３５、３６とが、同一の透明基板３１上に作り込まれているため、部品点数を増やすことなく垂直走査ミラー２２の振れ角の検知と、画像投射時の水平走査ミラー２１の振れ角の検知とが可能となる。

次に、本発明の第５の実施形態に係るレーザプロジェクタについて説明する。図１５は、第５の実施形態に係るレーザプロジェクタの投射口側フレームをレーザプロジェクタの内側から見た平面図である。

図１５に示すように、本実施形態のレーザプロジェクタのフレームは、透明基板３８上に例えばＣｒ（クロム）からなる金属膜を成膜して形成されており、この金属膜の一部をエッチングすることにより投射口４０が形成されている。また、このフレームの金属膜が形成された面が、レーザプロジェクタの外部に面している。そして、透明基板３８上の金属膜が形成された面とは反対側の面上には、第４の実施形態に示した光検知素子アレイ３２、３４、３５、及び３６が第４の実施形態と同様にパターンニングされている。即ち、光検知素子アレイを形成する半導体層が、レーザプロジェクタの内部側になるように配置されている。

本実施形態のレーザプロジェクタによれば、第４の実施形態で得られる効果に加え、透明基板３８をフレーム本体としているため、部品点数の削減及び部品の位置合わせの簡略化といった効果が得られる。

なお、特許文献３では、偏向光の折り返し位置を検出できる受光素子を光偏光器に設け、この受光素子を利用して光偏向器における偏向手段の共振周波数を検出している。そして、受光素子としては、複数個の受光領域から構成されるラインセンサを使用している。しかしながら、特許文献３においては、ラインセンサは調整されるべきレーザ光の振れ角範囲よりも小さい範囲、即ち、振れ角範囲の一部に設置されている。この関連技術は、その振れ角検出方法及び共振周波数の調整方法から、画像投射開始前の振れ角の初期調整に対しては有効であるが、画像投射開始後における振れ角調整に対しては適用が困難である。一方、本発明においては、調整されるべきレーザ光の振れ角範囲よりも広い範囲に光検知素子アレイを配置しており、画像投射開始後にもフレーム間毎に振れ角の調整が可能となっている。

この出願は、２００６年９月１５日に出願された日本出願特願２００６−２５０３２４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

レーザ光を発光する発光源と、
投射画像に応じてレーザ光の強度を変調する変調部と、
強度変調されたレーザ光を共振動作により水平走査する振動ミラーと、
強度変調されたレーザ光を垂直走査する垂直走査ミラーと、
前記振動ミラーの振れ角を検出する振れ角検出部と、
前記振動ミラーの振れ角を検出した結果を基に前記振動ミラーの振れ角を調整する振れ角調整部と、を有し、
前記振れ角検出部は、前記振動ミラーによるレーザ光の水平走査方向と平行に配列された複数個の光検知素子から構成される光検知素子アレイを有し、この光検知素子アレイは、該光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子が、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の水平走査範囲を含むより広い範囲の中央部から両端部に亘って配置されていることを特徴とするレーザプロジェクタ。
前記光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子は、等間隔では配列されていないことを特徴とする請求項１に記載のレーザプロジェクタ。
前記光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子の配列は、その中央部より端部においてより密であることを特徴とする請求項２に記載のレーザプロジェクタ。
前記光検知素子アレイは、透明基板上に配置された半導体層から形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。
前記振れ角調整部は、前記振動ミラーの駆動信号の周波数及び強度を調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。
前記振れ角調整部は、前記振動ミラーの駆動信号の周波数を共振周波数に一致させた後、前記振動ミラーの駆動信号の強度を変化させることで、前記振動ミラーの振れ角を調整することを特徴とする請求項５に記載のレーザプロジェクタ。
前記振動ミラーの振れ角調整時に、レーザ光が前記光検知素子アレイ上を水平走査するように、前記垂直走査ミラーの向きが固定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。
前記振動ミラーの振れ角は垂直ブランキング期間毎に検知され、前記振れ角調整部により、前記振動ミラーの振れ角が調整されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザプロジェクタ。
レーザ光を発光する発光源と、投射画像に応じてレーザ光の強度を変調する変調部と、
強度変調されたレーザ光を共振動作により水平走査する振動ミラーと、
強度変調されたレーザ光を垂直走査する垂直走査ミラーと、前記振動ミラーの振れ角を検出する第１の振れ角検出部と、
前記振動ミラーの振れ角を検出した結果を基に前記振動ミラーの振れ角を調整する第１の振れ角調整部と、
前記垂直走査ミラーの振れ角を検出する第２の振れ角検出部と、
前記垂直走査ミラーの振れ角を検出した結果を基に前記垂直走査ミラーの振れ角を調整する第２の振れ角調整部と、を有し、
前記第１の振れ角検出部は、前記振動ミラーによるレーザ光の水平走査方向と平行に配列された複数個の光検知素子から構成される第１の光検知素子アレイを有し、この第１の光検知素子アレイは、該第１の光検知素子アレイを構成する複数個の光検知素子が、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の水平走査範囲を含むより広い範囲の中央部から両端部に亘って配置されており、前記第２の振れ角検出部は、複数個の光検知素子を有し、この複数個の光検知素子は、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の垂直走査終端部を含むように配列されていることを特徴とするレーザプロジェクタ。
前記第１の振れ角調整部における前記第１の光検知素子アレイと前記第２の振れ角調整部における複数個の前記光検知素子とが、同一の透明基板上に夫々配置された半導体層から形成されていることを特徴とする請求項９に記載のレーザプロジェクタ。
前記第１の振れ角検出部は、前記第１の光検知素子アレイに加えて第２の光検知素子アレイを有し、この第２の光検知素子アレイは、画像投射領域外に配置されると共に、レーザ光の水平走査方向端部に沿って配置され、前記透明基板上に配置された半導体層から形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザプロジェクタ。
前記透明基板上に成膜された金属膜をエッチングすることにより、レーザ光の投射口が形成されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のレーザプロジェクタ。