JP5309895B2

JP5309895B2 - 光走査装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP5309895B2
Application number: JP2008279670A
Authority: JP
Inventors: 武士清水; 修一若林
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP2010107738A

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に関するものである。

ガルバノスキャナーなどの光学偏光素子を利用したプロジェクション装置を投影面上に設置し、近距離からの投影（近接投影）を行う場合、垂直走査方向に関しては光線の投影面に対する入射角がプロジェクション装置本体から離れるにつれて浅くなる。このため照射面積が広くなり、輝度が下がってしまう。また、水平走査方向に関しては、光線が投影面に照射される位置が描画範囲の中心に近づくにつれて走査速度が速くなり、走査時間が短くなる。このため、１つの画素を描画するために必要な時間が走査位置によって異なる。その結果、投影面の水平方向の輝度にも分布が生じることになる。

特許文献１には、往復走査される光ビームを走査線上の特定位置で通過時刻を計測し、計測された往復２つの通過時刻の値から、偏向器の駆動信号に対する偏向器の往復走査の時間的遅れに対応する遅延時間データを算出し、さらに、１走査周期内における光ビームの変調開始時刻または終了時刻に対応するタイミングデータを算出することにより、画像の変動を防ぐ光偏向装置について記載されている。
また、特許文献２には、少人数の打ち合わせを狭い場所で行う際に使い易い投影表示装置について記載されている。
特開２００３−１３１１５１号公報特開２００３−２８００９１号公報

しかし、上述したように、近距離からの投影を行う場合、垂直走査方向に関しては、プロジェクション装置本体から離れるにつれて光ビームの照射面積が広くなり輝度が下がってしまうが、特許文献１や２に記載された従来の装置では、この点を解決することができなかった。

そこで、本発明は、近距離からの投影を行う場合に、投影面全体で輝度を一定にすることができる光走査装置および画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光走査装置は、光束を出射する光源と、所定の軸を中心にして回動可能に構成され、光反射部で反射した前記光束を投影面に走査する光偏向部と、前記光偏向部を回動駆動させるための駆動部と、前記光源から出射される前記光束の強度を変調する光変調部と、前記光束を前記投影面の特定の位置に投影する際の、前記光偏向部の走査角度に応じて前記光束の光強度を決定する光強度決定部と、を備えたものである。

本発明によれば、光偏向部からの距離に関わらず投影面全体で輝度を一定にするよう、光束の強度を補正することにより、近距離からの投影を行う場合、光偏向部から離れるにつれて光束の照射面積が広くなり輝度が下がってしまうという問題を解決することができる。

また、前記光強度決定部は、前記特定の位置に投影される前記光束の面積と、前記光源における出射光の光束の面積との比を用いて、投影面における輝度が一定になるように、前記光束の光強度を決定することが望ましい。
これにより、光偏向部からの距離に関わらず投影面全体で輝度を一定にできるよう、光束の強度を補正することができる。

さらに、前記光強度決定部は、前記特定の位置に前記光束を走査する際の、前記光偏向部の水平方向の走査速度に基づいて、前記光束の光強度を決定することが望ましい。
これにより、投影面全体での輝度をさらに一定にすることができる。

本発明に係る画像形成装置は、上記の光走査装置を備え、投影面に接している領域を有するものである。
本発明によれば、近距離からの投影を行う場合、光偏向部から離れるにつれて光束の照射面積が広くなり輝度が下がってしまうという問題を解決することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による、光走査装置１０の構成を示すブロック図である。図に示すように、光走査装置１０は、光偏向器（光偏向部）１、駆動部２、光源３、ダイクロイックミラー４、光変調部５、光強度決定部６、光強度補正データ記憶部７、画像情報記憶部８、制御部９を備えている。

光偏向器１は、ダイクロイックミラー４から送られたレーザ光を水平方向に走査する水平ミラー１ａと水平ミラー１ａにより反射されたレーザ光を垂直方向に走査する垂直ミラー１ｂとを含む。

図２は、水平ミラー１ａの構成を示す平面図である。また、図３は図２のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。
水平ミラー１ａは、可動板１１、支持枠１２、可動板１１を支持枠１２に対してねじり回転可能に支持する一対の弾性支持部１３を有する。可動板１１、支持枠１２、及び弾性支持部１３は、例えば、シリコン基板をエッチング加工することにより一体形成される。

可動板１１上には反射膜２１が形成されている。また、可動板１１の反射膜２１と反対側には、磁石２２が接合されている。磁石２２は、可動板１１を平面視したときに、可動板１１の回転中心軸である軸線Ｘに直交する方向に磁化されている。すなわち、磁石２２は、軸線Ｘを介して対向する互いに極性の異なる一対の磁極を有している。支持枠１２は、ホルダ２０に接合されており、ホルダ２０上には、可動板１１を駆動させるためのコイル２３が配置されている。

水平ミラー１ａでは、駆動信号発生手段２４によって周期的に変化する電圧または電流がコイル２３に供給される。これにより、コイル２３は上方（可動板１１側）に向く磁界と、下方に向く磁界とを交互に発生させる。これにより、コイル２３に対し磁石２２の一対の磁極のうち一方の磁極が接近し他方の磁極が離間するようにして、弾性支持部１３を捩れ変形させながら、可動板１１がＡ軸回りに回動させられる。

図２では、磁石２２とコイル２３間の電磁力を利用した駆動方式の振動ミラーを示している。しかしながら、本発明は、静電引力を利用した方式や、圧電素子を利用した方式を採用してもよい。例えば、静電引力を利用した方式の場合には、磁石２２は不要であり、コイル２３の代わりに可動板１１に対向する１つ又は複数の電極が設置される。そして、可動板１１と電極との間に周期的に変化する交流電圧を印加することにより、可動板１１と電極との間に静電引力を作用させて、弾性支持部１３を捩れ変形させながら、可動板１１をＡ軸回りに回動させる。

図４は、垂直ミラー１ｂの構成を示す平面図である。垂直ミラー１ｂは可動板１４、駆動手段１６、及び可動板１４と駆動手段１６とを接続する連結部１５を有する。可動板１４上には反射膜が形成されている。連結部１５は、可動板１４がＢ軸回りに回動できるように、可動板１４と駆動手段１６とを連結する構造となっている。
駆動手段１６は、例えばステップモーターとすることができる。また、垂直ミラー１ｂはガルバノスキャナーで構成しても良い。また、垂直ミラー１ｂを水平ミラー１ａと同様の構成にしても良い。

駆動部２は、水平ミラー１ａを回動させる水平ミラー駆動部２ａと、垂直ミラー１ｂを回動させる垂直ミラー駆動部２ｂを有する。水平ミラー駆動部２ａは、磁石２２、コイル２３、及び駆動信号発生部２４を有している。上述のように、水平ミラー駆動部２ａは、駆動信号発生部２４からコイル２３へ電圧または電流を印加することで、可動板１１を支持枠１２に対して振動（回動）させるように構成されている。
また、垂直ミラー駆動部２ｂは、駆動手段１６、及び駆動信号発生部１７を有し、駆動信号発生部１７は垂直ミラー１ｂの可動板１４を回動させるように、駆動手段１６に適切な電圧または電流を与える。

図５は、駆動信号発生部２４から供給される水平ミラー１ａの駆動信号と、駆動信号発生部１７から供給される垂直ミラー１ｂの駆動信号の例を示す図である。図に示すように、水平ミラー１ａの駆動信号の波形は正弦波であるのに対し、垂直ミラー１ｂの駆動信号の波形は鋸形状である。１描画期間の間に、光変調部５によって光源３から出射されるレーザ光の強度が制御され、１フレーム分の描画が行われる。その後、非描画期間に垂直ミラー１ｂが開始位置に戻され、次の描画期間に入る。このように、描画期間と非描画期間を繰り返すことにより画像の描画を行う。

また、図６に示すように、垂直ミラー１ｂの駆動信号の波形を三角波にしてもよい。図６に示す例によれば、非描画期間を少なくすることができる。

光源３は、レーザビームを出射する光源である。
光源３は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源３Ｒと、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源３Ｂと、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源３Ｇとを有する。ただし、２色以下又は４色以上のレーザ光源を用いてもよい。

ダイクロイックミラー４は、赤色レーザ光源３Ｒからの赤色レーザ光を反射するダイクロイックミラー４Ｒと、青色レーザ光を反射し赤色レーザ光を透過させるダイクロイックミラー４Ｂと、緑色レーザ光を反射し青色レーザ光及び赤色レーザ光を透過させるダイクロイックミラー４Ｇとを有する。この３種のダイクロイックミラー４により、赤色レーザ光、青色レーザ光、及び緑色レーザ光の合成光が水平ミラー１ａに入射する。

光変調部５は、赤色レーザ光源３Ｒ、青色レーザ光源３Ｂ、及び緑色レーザ光源３Ｇに供給する電流量を制御することにより、各々の光源から出射されるレーザ光の強度を制御する。

光強度決定部６は、赤色レーザ光源３Ｒ、青色レーザ光源３Ｂ、及び緑色レーザ光源３Ｇから出射されるレーザ光の強度を決定し、光変調部５に供給する。後述するように、光強度決定部６は、光偏向器１の走査角度に応じてレーザ光の強度を決定する。

光強度補正データ記憶部７には、光強度決定部６がレーザ光の強度を決定する際に用いるデータが記憶されている。具体的には、レーザ光の投影面から光偏向器１までの垂直方向の高さが記憶されている。さらに、光強度補正データ記憶部７には、投影面上の各位置にレーザ光が投影される際の、水平ミラー１ａの水平走査速度に基づいて決定されるレーザ強度の調整用関数が記憶されている。

画像情報記憶部８には、光走査装置１０によって走査されるレーザ光によって投影面に形成される画像の情報が記憶されている。

制御部９は、画像情報記憶部８から供給される画像情報に基づいて、これらの画像を表示すべく、駆動部２の動作を制御する。また、投影する画像の情報を光強度決定部６に供給する。

次に、図７，８を用いて光走査装置１０の動作について説明する。図７は、光走査装置１０を備えたプロジェクタ（画像形成装置）９０と投影面Ｓを上から見た図、図８は、プロジェクタ９０と投影面Ｓを横から見た図である。

図７，８に示すように、プロジェクタ９０は底面が投影面Ｓに接しており、投影面Ｓから光走査装置１０の光偏向器１までの高さＨは、光強度補正データ記憶部７に記憶されている。図７において点線で囲まれた領域は、プロジェクタ９０による描画領域を示している。図中、点Ｐは、投影面Ｓ上の１点を表している。θ₁は、レーザ光が点Ｐに投影される際の、水平ミラー１ａによる水平方向の走査角度であり、θ₂は垂直ミラー１ｂによる垂直方向の走査角度である。

光源３から出射されるレーザ光の強度を一定にした場合、図９に示すように、投影面Ｓに投影されるレーザ光の形状は、点Ａから点Ｄへと光偏向器１から離れるにつれて大きくなるため、投影画像の輝度は下がっていく。このため、本実施形態では、光偏向器１からの距離に関わらず投影面Ｓ全体で輝度を一定にできるよう、レーザ光の強度を補正する。

レーザ光強度の補正方法について説明する。
まず、光強度決定部６は、制御部９を介して画像情報記憶部８に記憶された画像情報を取得し、各々の画素に対応する水平方向及び垂直方向の走査角θ₁、θ₂を得る。

次に、光強度決定部６は、光強度補正データ記憶部７から取得した投影面Ｓから光偏向器１までの高さＨと、走査角θ₁、θ₂を用いて対応する投影位置Ｐの座標を算出する。点Ｐの座標は以下のように表せる。

…（１）

ここで、位置Ｐに投影されるレーザ光の面積Ｓと光源３におけるレーザ光の面積Ｓ₀との比は、下記の式（２）のように表せる。

…（２）
ただし、φは下記の式（３）のとおりである。

…（３）

光強度決定部６は、式（２）によって得られる面積比の逆数の分布が投影面Ｓにおける輝度の分布に相当することを利用して、レーザ光の強度を決定する。
すなわち、図９に示したように、面積Ｓが大きいほど投影画像の輝度は暗くなるので、式（２）の面積比の逆数（Ｓ₀／Ｓ）が大きい位置ほど輝度が明るいということになる。

よって、レーザ光源から出射される光強度Ｉを式（４）のように補正することにより、光偏向器１からの距離に関わらず投影面Ｓ全体で輝度を一定にすることができる。
Ｉ_C＝Ｓ／Ｓ₀・Ｉ …（４）
ただし、Ｉ_Cは補正後のレーザ光源から出射される光強度である。

さらに、図１０に示すように、水平走査方向について見た場合、光偏向器１からのＹ軸方向の距離が遠い位置ほど、ある１点にレーザ光が投影されている時間が短くなるため、投影画像の輝度は暗くなる。このため、光強度決定部６は、水平ミラー１ａの水平走査速度に基づいて決定されるレーザ強度の調整用重み関数を光強度補正データ記憶部７から取得し、レーザ光の強度をさらに補正する。

この調整用の重み関数は、例えば、下記の式（５）とすることができる。
ｓｉｎφ・１／ｃｏｓ（θ₁） …（５）

よって、レーザ光源から出射される光強度Ｉを式（６）のように補正することにより、投影面Ｓ全体での輝度をさらに一定にすることができる。
Ｉ_C＝Ｓ／Ｓ₀・ｓｉｎφ・１／ｃｏｓ（θ₁）・Ｉ …（６）

光変調部５は、光強度決定部６によって決定された光強度の補正値に従って、光源３に供給する電流を制御し、各々の画素毎に出射するレーザ光を変調する。

なお、レーザ光強度の調整は、描画領域の中で最も輝度が暗い位置を基準にして行うことが望ましい。すなわち、最も輝度が暗い位置へのレーザ光の出力強度が最大になるようにして、他の描画領域については式（４）または式（６）を用いて最暗部における補正値との比較により出力強度を決定する。

以上のように、本実施形態によれば、光偏向器１からの距離に関わらず投影面Ｓ全体で輝度を一定にするよう、レーザ光の強度を補正するようにしたので、近距離からの投影を行う場合、光偏向器１から離れるにつれてレーザ光の照射面積が広くなり輝度が下がってしまうという問題を解決することができる。

なお、本実施形態の光走査装置１０の各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、本実施形態の光走査装置１０は水平ミラー１ａと垂直ミラー１ｂを備える構成であるが、２軸の周りでの回動が可能な１つのミラーを備え、１つのミラーで水平方向と垂直方向の走査を行う構成であってもよい。

実施の形態１による、光走査装置の構成を示すブロック図である。水平ミラーの構成を示す平面図である。図２のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。垂直ミラーの構成を示す平面図である。水平ミラーの駆動信号と垂直ミラーの駆動信号の例を示す図である。水平ミラーの駆動信号と垂直ミラーの駆動信号の例を示す図である。光走査装置を備えたプロジェクタ（画像形成装置）と投影面Ｓを上から見た図である。プロジェクタと投影面Ｓを横から見た図である。光偏向器からの距離と投影画像の輝度の関係を説明する図である。光偏向器からの距離と投影画像の輝度の関係を説明する図である。

符号の説明

１光偏向器、１ａ水平ミラー、１ｂ垂直ミラー、２駆動部、２ａ水平ミラー駆動部、２ｂ垂直ミラー駆動部、３光源、３Ｒ赤色レーザ光源、３Ｂ青色レーザ光源、３Ｇ緑色レーザ光源、４ダイクロイックミラー、５光変調部、６光強度決定部、７光強度補正データ記憶部、８画像情報記憶部、９制御部、１０光走査装置
１１，１４可動板、１２支持枠、１３弾性支持部、１５連結部、１６駆動手段、２０ホルダ、２１反射膜、２２磁石、２３コイル、１７，２４駆動信号発生部、９０プロジェクタ

Claims

光束を出射する光源と、
所定の軸を中心にして回動可能に構成され、光反射部で反射した前記光束を投影面に走査する光偏向部と、
前記光偏向部を回動駆動させる駆動部と、
前記投影面に投影される前記光束の面積が最大となる位置の前記光束の光強度が最大となるように、かつ、前記投影面に投影される前記光束の面積と前記光源における前記出射光の前記光束の面積との面積比を用いて、前記投影面における輝度が一定となるように前記光束の光強度の補正値を決定する光強度決定部と、
前記補正値に基づいて、前記光源を制御する光変調部と、を備えることを特徴とする光走査装置。
前記投影面に投影される前記光束の面積が最大となる位置は、前記光偏向部の走査角度と前記投影面から前記光偏向部までの距離から幾何学的に算出されることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
前記補正値は、補正前の前記光束の光強度と、前記面積比とを掛け合わせたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
前記光強度決定部は、前記投影面に前記光束を走査する際の、前記光偏向部の水平方向の走査速度に基づいて、前記光束の光強度を決定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光走査装置。
前記光偏向部の水平方向の走査速度が遅いときの前記光束の光強度よりも、前記光偏向部の水平方向の走査速度が速いときの前記光束の光強度の方が大きいことを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
前記補正前の前記光束の光強度よりも前記補正値が大きい場合において、
前記光変調部は、前記補正前の前記光束の光強度のときの前記光源に供給する電流よりも、前記補正値のときの前記光源に供給する電流の方が大きくなるように制御することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光走査装置。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、前記投影面に接している領域を有することを特徴とする画像形成装置。