JP6134494B2 - レーザビーム表示装置並びにそのミラー制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを１次元或いは２次元走査して画像表示をおこなう表示装置に係り走査ミラーの構造とその動作に関する。

レーザービームを２次元走査して表示をおこなう表示装置では、１次軸或いは２軸の揺動ミラーによりレーザビームを走査して、レーザービームをスクリーンに描画して表示をおこなっている。このため、レーザービームの投射距離に比例してビームスポットサイズの広がりが発生し、投射画像の画質の劣化が問題となることがあった。

この画質劣化を防止する技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、光路上に可動レンズや可変焦点ミラーを配し、ビームスポットサイズを調整することで画質劣化を低減する技術が開示されている。

特開２００９−１９３００８号公報

上記の特許文献１では、可動レンズや可変焦点ミラーを調整し、所望のビームスポットサイズを得るための駆動機構、ビームスポットサイズの検出機構等の複雑な機構が必要である。さらに、可動レンズによる場合には、ＲＧＢ色のレーザ光の色毎に光特性が異なるため、色ごとにビームスポットサイズの調整量を変える必要がある。このため、可動レンズ機構を色毎に有する事が望ましい。上記の特許文献１では、複雑な機構を必要となるとともに、光路途中に可動レンズや可変焦点ミラーを設けるために、ビーム走査ユニットの小型化の障害となる可能性がある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、ビームスポットサイズの可変を簡易な機構で実現し、投射距離や表示サイズ（画角）を変えた際に、投射距離によるビームスポットサイズの広がりを画角と一致させ、画質劣化を防ぐ事である。

上記課題を解決するために、本願発明のレーザビームを走査して画像表示をおこなうレーザビーム表示装置は、所定位置にビーム焦点をもつレーザビームを出力する光源と、前記光源からのレーザビームを反射し、１軸或いは２軸に揺動する走査ミラーと、前記走査ミラーの反射面の裏面に配置され、前記走査ミラーの反射面形状を変形させる伸縮素子と、
前記伸縮素子の変形量を制御する伸縮素子駆動部とを備える構成とし、前記伸縮素子の変形に応じて前記走査ミラーの反射面が凹凸に変形して、レーザビームのビーム焦点の位置が変化するようにした。

さらに、画像表示をおこなう投射距離を測定する測距手段を備え、前記伸縮素子駆動部は、所定のビームスポットサイズを得る場合に、前記測距手段で測定した投射距離が所定の値より大きいときには前記伸縮素子を制御して前記走査ミラーの反射面を凸形状に変形し、前記測距手段で測定した投射距離が所定の値より小さいときには前記伸縮素子を制御して前記走査ミラーの反射面を凹形状に変形するようにした。
また、前記伸縮素子駆動部は、前記測距手段で測定した投射距離と前記走査ミラーの揺動角と投射画像の解像度に応じて、前記伸縮素子の凹凸形状を変えてビームスポットサイズを制御するようにした。

本発明によれば、ビームスポットサイズの広がりによる画質劣化の影響を低減する表示装置を提供できる。

本発明の第１実施例の表示装置の構成図である。 本発明の第１実施例の伸縮ミラーの形状を補足する図である。 本発明の第１実施例の伸縮ミラーの別の形状を補足する図である。 本発明の第１実施例の伸縮ミラーの凹凸とビームの広がりの関係を説明する図である。 本発明の第１実施例の伸縮ミラーの凹凸と表示距離の関係を示す図である。 本発明の第２実施例に係る表示装置の構成図である。 本発明の第１実施例の伸縮ミラーの動作タイミング図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。尚、各図または各実施例において、同一の構成、機能または作用を有する要素には同じ番号を付し、重複した説明を省略するものとする。

図１〜５、７は、本発明の第１実施例のビーム表示装置を示している。
図１〜７で、１は伸縮素子、２はミラー、３は入力信号、４は信号変調器、５は光源駆動部、６は光源、７はレンズ、８はタイミング生成部、９はミラー駆動部、１０は伸縮素子駆動部、１１は測距部、１２はＣＰＵ、１３はスクリーンを示している。

また、図中の記号αは揺動角、Ｔはミラー２表面の高低差、Ｍはミラー２の径、βはミラー２の仰角、γはビーム光の広がり角、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２はビームスポット、Lfはビームスポット焦点の距離、Lｄは表示位置までの距離である。

本実施例の伸縮素子１は、走査ミラーの裏面（レーザービームの反射面の裏側）に設けられていることを特徴とする。伸縮素子１は、例えば、ピエゾ素子に実現し、印加する電圧を変えて伸縮素子１の変形量を制御する。伸縮素子１の変形は、以下の実施例では一軸方向の変形を説明するが、二軸方向（平面）の変形であってもよい。

つぎに、図１により、実施例のビーム表示装置の動作を説明する。
図１で、光源６はレーザ素子であり、レンズ７で集光したレーザビーム光を水平方向と垂直方向の２軸で揺動するMEMSミラー等のミラー２で反射し、スクリーン１３にラスタスキャン表示する構成である。

ミラー駆動部９はミラー２を所望の振れ角となるように制御駆動して、レーザビーム光の２次元走査をおこなう。タイミング生成８ではミラー２の開始基準信号w_sp_h（水平軸の開始信号、図７に一例を示す）でミラー駆動部９を起動し、ミラー２の揺動位置に応じ、各種タイミング信号s_sp_h（水平軸の揺動位置信号、同）を生成する。

信号変調器４はタイミング信号s_sp_hを基準に入力信号（映像信号）からスクリーン１３のラスタ位置に対応する映像信号の選択と光源の強弱情報を生成し、光源駆動部５で光源６を変調駆動する構成である。ここで、レーザの変調方法やミラー２の揺動方法等の基本動作の詳細説明は公知の通りであり割愛する。

図２、３は、MEMSミラー等のレーザービームの走査をおこなうミラー２の、変形状態を説明する図である。図２は、ミラー２が凹状態に変形した状態を示し、図３は、ミラー２が凸状態に変形した状態を示している。

図２、３で、ミラー２は、反射面の裏面に伸縮素子１を形成されており、伸縮素子１の伸縮量は、伸縮素子駆動部１０の制御量で定まる。尚、前述のとおり、伸縮素子１の材料は電気信号で伸縮制御出来る物であれば良く、圧電素子や、膨張率の異なる素材の貼り合せ（バイメタル）等、選択できる。但し、映像表示などミラー２が高速揺動する用途の場合は、軽量で必要十分な伸縮量が得られる材料が望ましく、圧電素子の形成が望ましく、伸縮素子駆動部１０は予め駆動電圧と伸縮量の関係をテーブルで保持し、例えばＣＰＵ１２からの所望の伸縮情報を得て、対応する駆動電圧を制御量として生成することで実現する。

また、ミラー２のレーザ光反射率は１００％（全反射）でなく、熱吸収による温度変化が避けられないが、実温度の計測あるいは、予測によりミラー温度を把握する事で、伸縮素子１を温度補償し所望の伸縮量を実現する。

さらに、伸縮素子１の貼り付け位置として、ミラー２が所望の伸縮量を得られるように伸縮素子１の性能を鑑みて圧電素子の厚みや貼り付け面積を規定するものである。尚、揺動によりミラー２が面変動する場合には、面変動を抑えるよう、伸縮素子１の形状を定めても良い。

図２、３には、ひとつの伸縮素子１が、ミラー２の裏面に貼付される構成を示しているが、伸縮素子１は複数に分割され、個々の素子を個別に駆動するようにしてもよい。この場合には、素子の変形量が異なるため、ミラー２の凹凸状態を非対称にすることができ、レーザービームのビームスポットサイズの広がりを細かく制御することができる。

つぎに、図４によりミラー２の凹凸状態と投射位置とビームスポット形状の関係を説明する。図４で、ミラー２は直径M＝φ１．２で理想平面の場合、レンズ７で集光したレーザビーム光はミラー２上でＢ＝φ１．０（真円）のビームスポットＳ０で、ビーム焦点ｆであるLｆ=５７３ｍｍで収束後、再び拡大し、ビームスポットＳ０の大きさと同じサイズ(＝φ１．０)となる位置Ｌｄを同Ｓ１_fで示す。尚、揺動するミラー２を中心とする同心円上のビームスポットのサイズは同一とする。

図２の様に、ミラー２の反射面が、高低差Ｔで中央部が凹の場合は、同ｆ凹とＳ１_f凹で示し、同じく図３の様に、ミラー２の反射面の中央部が高低差Ｔで凸の場合は、同ｆ凸とＳ１_f凸で示す。図２、３では、曲面を持った凹凸で示すが、ミラー２の面形状が理想平面と、凸或いは凹面は、三角錐状の面として説明する。もちろん、この限りでは無く、ミラー２の面形状に応じたビーム形状であっても同様であり、本実施例に逸脱しない。

高低差ＴとビームスポットＳ０の大きさと同じサイズ(Ｂ＝φ１．０)となる位置Ｌの関係を次式より定まり、図５は、高低差Ｔ（横軸）と位置Ｌ（縦軸）の関係となる。
仰角β＝ａｔａｎ（Ｔ／（Ｍ／２）） ……（数１）
ビーム広がり角γ＝ａｔａｎ（Ｂ／２／Ｌｄ） ……（数２）
位置Ｌ＝Ｂ／ｔａｎ（γ＋２β） ……（数３）
より具体的には、例えば、高低差Ｔ＝０ｎｍでＬ＝１１４６ｍｍ、同Ｔ＝５００ｎｍでＬ＝５８６ｍｍ、Ｔ＝−４００ｎｍでＬ＝４８５４ｍｍの関係となる。尚、実施例では具体的な数値を挙げ且つ、ビーム光が理想的な集光・拡散となる場合で説明するが、これに限らず、ミラー２の凹凸でビーム形状を定義する関係であれば本実施例に逸脱しない。

上記のとおり、ミラー２の凹凸でビーム形状を定義することができるが、本実施例では、投射位置により、つぎのようにして、ミラー２の凹凸を制御する。
まず、図１の測距部１１にてミラー２からスクリーン１３（投射位置）までの距離ｌｘを計測する。一方、スクリーン１３で映像表示する画角ＷｈｘＷｖと解像度ＤｈｘＤｖより所望のビームスポットサイズＢＳが定まることから、ＣＰＵ１２では、得られた距離ｌｘから所望のビームスポットサイズを実現するミラー２の揺動量と伸縮素子１の伸縮量を制御量として出力し、伸縮素子駆動部１０とミラー駆動部９を制御する。

例えば、画角ＷｈｘＷｖと投射距離ｌｘより振れ角α（光学振れ角）とビームスポットサイズＢＳは、それぞれ以下より定めても良い。
α＝ａｔａｎ（ＷｈｘＷｖ／２／ｌｘ） ……（数４）
ＢＳ＝ＷｈｘＷｖ／ＤｈｘＤｖ ……（数５）

図６は、実施例１で示したミラー制御方法並びにそれを用いた表示装置の光源として、レーザ素子６は、色の３原色であるＲ／Ｇ／Ｂ（赤／緑／青）色で発振し、実施例１と同様に映像信号とミラー２の揺動位置で変調することでスクリーン１３に投射することで静止画や動画像の映像を表示する。

本実施例のとおり、ミラー２の変形によりビームスポットサイズを変化させるので、Ｒ／Ｇ／Ｂ（赤／緑／青）色の波長特性に関係なくビームスポットサイズを変化させることができる。このため、単色と同じ構成とすることができ、装置が大型化することがない。

１…伸縮素子、２…ミラー、３…入力信号、４…信号変調器、５…光源駆動部、６…光源、７…レンズ、８…タイミング生成部、９…ミラー駆動部、１０…伸縮素子駆動部、１１…測距部、１２…ＣＰＵ、１３…スクリーン、α…揺動角、Ｔ…ミラー２表面の高低差、Ｍ…ミラー２の径、β…ミラー２の仰角、γ…ビーム光の広がり角、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２…ビームスポット、Lf…ビームスポット焦点の距離、Lｄ…表示位置までの距離。

Claims (6)

1. レーザビームを走査して画像表示をおこなうレーザビーム表示装置において、
   所定位置にビーム焦点をもつレーザビームを出力する光源と、
   前記光源からのレーザビームを反射し、１軸或いは２軸に揺動する走査ミラーと、
   前記走査ミラーの反射面の裏面に貼り付けて配置され、前記走査ミラーの反射面形状を変形させる伸縮素子と、
   前記伸縮素子の変形量を制御する伸縮素子駆動部とを備え、
   前記伸縮素子の変形に応じて前記走査ミラーの反射面が凹凸に変形し、
   レーザビームのビーム焦点の位置が変化する
   ことを特徴とするレーザビーム表示装置。
2. 請求項１に記載のレーザビーム表示装置において、
   画像表示をおこなう投射距離を測定する測距手段を備え、
   前記伸縮素子駆動部は、
   所定のビームスポットサイズを得る場合に、
   前記測距手段で測定した投射距離が所定の値より大きいときには前記伸縮素子を制御して前記走査ミラーの反射面を凸形状に変形し、
   前記測距手段で測定した投射距離が所定の値より小さいときには前記伸縮素子を制御して前記走査ミラーの反射面を凹形状に変形することを特徴とするレーザビーム表示装置。
3. 請求項１に記載のレーザビーム表示装置において、
   画像表示をおこなう投射距離を測定する測距手段を備え、
   前記伸縮素子駆動部は、
   前記測距手段で測定した投射距離と前記走査ミラーの揺動角と投射画像の解像度に応じて、前記伸縮素子の凹凸形状を変えてビームスポットサイズを制御することを特徴とするレーザビーム表示装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のレーザビーム表示装置において、
   光源は単色或いは少なくともＲＧＢの３原色であることを特徴とするレーザビーム表示装置。
5. レーザビームを走査して画像表示をおこなうレーザビーム表示装置のミラー制御方法であって、
   画像表示をおこなう投射距離を測定し、
   所定のビームスポットサイズを得る場合に、
   前記測距手段で測定した投射距離が所定の値より大きいときには前記走査ミラーの反射面を凸形状に変形し、
   前記測距手段で測定した投射距離が所定の値より小さいときには前記走査ミラーの反射面を凹形状に変形することを特徴とするミラー制御方法。
6. 走査ミラーによりレーザビームを走査して投射画像表示をおこなうレーザビーム表示装置のミラー制御方法であって、
   画像表示をおこなう投射距離を測定し、
   前記測定した投射距離と走査ミラーの揺動角と投射画像の解像度からビームスポットのサイズを決定し、
   前記ビームスポットのサイズに応じて走査ミラーの反射面の裏面に貼り付けて配置された伸縮素子を、伸縮素子駆動部によって変形させることにより前記走査ミラーの反射面の凹凸形状を制御することを特徴とするミラー制御方法。

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