JP7363604B2 - 光走査装置、ヘッドアップディスプレイ、及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置、ヘッドアップディスプレイ、及び移動体に関する。

車両等の移動体に搭載され、前景に画像を表示して運転者に少ない視線移動で情報を視認させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ； Head Up Display）が知られている。

ヘッドアップディスプレイのうち、光源部からの光を走査して形成した中間像を用いる方式では、狭小なスペースに配置できるように光走査装置には小型化が求められる。

光走査装置を小型化する構成では、光源部と、光源部からの光の一部を検出する光検出器とを共通の基板に配置し、光源からの光の分波光を光検出器に導光する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の構成では、光源部からの光の分波光を光検出器に安定して導光できない場合がある。

本発明は、光源部からの光の分波光を光検出器に安定して導光することを課題とする。

本発明の一態様に係る光走査装置は、波長の異なる光をそれぞれ射出する複数の発光素子と、前記複数の発光素子のそれぞれの射出光を合波する合波素子とを有し、前記合波素子による合波光を出力する光源部と、前記合波光を少なくとも第１の光と、第２の光に分波する分波手段と、前記第２の光を導光する導光手段と、前記導光手段を介して前記第２の光の光量を検出する光検出器と、前記分波手段と前記導光手段とを一体に支持し、前記光検出器の受光面に沿った平面内で移動可能に構成された可動部とを備える。

本発明によれば、光源部からの光の分波光を光検出器に安定して導光できる。

実施形態に係るＨＵＤの全体構成例を示す図である。 実施形態に係るＨＵＤのハードウェア構成例の図である。 実施形態に係るＨＵＤの機能構成例の図である。 実施形態に係るＨＵＤの光源部の構成例の図である。 半導体レーザの発振波長例を示す図である。 実施形態に係る光偏向器の構成例の図である。 実施形態に係るスクリーンの構成例の図であり、（ａ）は拡大平面図、（ｂ）は側方から見た光路図である。 第１実施形態に係る光走査装置の構成例の斜視図である。 実施形態に係る光源部の構成例の分解斜視図である。 実施形態に係る光源部の構成例の断面図である。 光走査装置における非点収差例を示す図である。 実施形態に係る分波ユニットの構成例を示す斜視図である。 実施形態に係る画像表示信号例を示すタイミングチャートである。 第２実施形態に係る光走査装置の構成例の斜視図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

［実施形態］
＜ヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤという）１の全体構成例＞
まず、実施形態に係るＨＵＤ１の全体構成について、図１を参照して説明する。図１は、ＨＵＤ１の全体構成の一例を説明する図である。ＨＵＤ１は、一例として、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載され、該移動体のフロントガラス５０（フロントウインドシールド）を介して該移動体の操縦に必要な速度や走行距離等のナビゲーション情報等を視認可能に表示する表示装置である。

この場合、フロントガラス５０は、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材としても機能する。以下では、ＨＵＤ１がフロントガラス５０を備える自動車に搭載される場合を一例として説明する。

図１に示すように、ＨＵＤ１は、光照射部１０と、シリンダミラー２０と、スクリーン３０と、凹面ミラー４０とを備えている。ＨＵＤ１は、フロントガラス５０に対して光を照射するで、観察者Ａの視点から虚像Iを視認可能に表示する。

光照射部１０は光源部１１を備えており、Ｒｅｄ（Ｒ）、Ｇｒｅｅｎ（Ｇ）、Ｂｌｕｅ（Ｂ）の３色のレーザ光を合波して出力する。３色を合波したレーザ光は、光偏向器１５の反射面に向かって導かれる。

光偏向器１５は、半導体プロセス等で作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーであり、直交する２軸に対して揺動（回動）する単一の微小なミラーである。なお、１軸に揺動する２つのミラーを直交して配置した対ミラーであってもよい。

光偏向器１５により偏向されたレーザ光は、シリンダミラー２０により折り返され、スクリーン３０に２次元の中間像を描画する。スクリーン３０はレーザ光を所望の発散角で発散させる機能を有しており、マイクロレンズアレイ構造が好適である。

スクリーン３０で発散された発散レーザ光は、単一の凹面ミラー４０で反射され、またフロントガラス５０により一部が反射されて観察者Ａの眼に到達し、観察者Ａの視点でフロントガラス５０を通した前景に重畳して虚像Ｉが拡大表示される。

単一の凹面ミラー４０は、フロントガラス５０の影響で中間像の水平線が上または下に凸形状となる光学歪み要素を補正するように設計・配置されている。なお、フロントガラス５０と同じ機能を持つ別途の部分反射鏡(コンバイナ)を備えた構成であっても、実施形態を適用することができる。

＜ＨＵＤ１のハードウェア構成例＞
次に、ＨＵＤ１のハードウェア構成について、図２を参照して説明する。図２は、ＨＵＤ１のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。

図２に示すように、ＨＵＤ１は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）６００と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６０４と、ＲＡＭ（Radom Access Memory）６０６と、Ｉ／Ｆ（Interface）６０８と、バスライン６１０と、ＬＤ（Laser Diode）ドライバ６１１と、ＭＥＭＳコントローラ６１５とを備えている。

ＦＰＧＡ６００は、ＬＤドライバ６１１やＭＥＭＳコントローラ６１５により、ＬＤ１１１及びＭＥＭＳ１５を動作させる集積回路である。ＣＰＵ６０２は、ＨＵＤ１の各機能を統括的に制御するプロセッサである。ＲＯＭ６０４は、ＣＰＵ６０２がＨＵＤ１の各機能を制御するために実行する画像処理用プログラムを記憶する不揮発性半導体メモリである。

ＲＡＭ６０６は、ＣＰＵ６０２のワークエリアとして使用される揮発性半導体メモリである。Ｉ／Ｆ６０８は、外部コントローラ等と通信するためのインターフェースであり、例えば、車両のＣＡＮ（Controller Area Network）等に接続することができる。

＜ＨＵＤ１の機能構成例＞
次に、ＨＵＤ１の機能構成について、図３を参照して説明する。図３は、ＨＵＤ１の機能構成の一例を説明するブロック図である。

図３に示すように、ＨＵＤ１は、車両情報入力部８００と、外部情報入力部８０２と、画像生成部８０４と、画像表示部８０６とを備えている。

これらのうち、車両情報入力部８００には、ＣＡＮ等から車両の速度や走行距離等の情報が入力される。外部情報入力部８０２には、外部ネットワークからＧＰＳ（Global Positioning System）からのナビゲーション情報等の車両外部の情報が入力される。

画像生成部８０４は、車両情報入力部８００及び外部情報入力部８０２から入力される情報に基づいて、ＨＵＤ１により表示するための画像を生成する。画像表示部８０６は、制御部８０６０を備え、制御部８０６０によって光照射部１０が制御されることで、フロントガラス５０に光を照射する。その結果、運転者Ａの視点から、画像生成部８０４により生成された画像の虚像Ｉが視認可能になる。

＜光源部１１の構成例＞
次に、光照射部１０の備える光源部１１の構成について、図４を参照して説明する。図４は、光源部１１の構成の一例を説明する図である。

図４に示すように、光源部１１は、発光素子１１１Ｒ,１１１Ｂ,１１１Ｇと、カップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂと、アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂと、合波素子１１５とを備えている。

発光素子１１１Ｒ,１１１Ｂ,１１１Ｇのそれぞれは、単数又は複数の発光点を有する発光素子である。発光素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂは、それぞれ半導体レーザ（ＬＤ）であり、互いに異なる波長λ_Ｒ，λ_Ｇ，λ_Ｂのレーザ光を射出する。例えば、λ_Ｒ＝６４０（ｎｍ）、λ_Ｇ＝５３０（ｎｍ）、λ_Ｂ＝４４５（ｎｍ）のレーザ光を射出する。

発光素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂから射出された波長λ_Ｒ，λ_Ｇ，λ_Ｂのレーザ光は、それぞれカップリングレンズ１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂにより、後続の光学系にカップリング（結合）される。

カップリングされたレーザ光は、波長毎に設けられたアパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂにより整形される。アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、レーザ光の発散角等に応じて円形、楕円形、長方形、又は正方形等の様々な形状に形成することができる。

その後、合波素子１１５によって光路合成される。合波素子１１５は、プレート状又はプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じてレーザ光を反射又は透過し、１つの光路に合成する。合成されたレーザ光は、結像レンズ１１６によって光偏向器１５の反射面に導かれる。

ところで、所望の色の虚像を表示するためには、各波長λ_Ｒ，λ_Ｇ，λ_Ｂで合成されるレーザ束の合成比率、つまり波長に応じた射出光量のパワーバランスを適正に調整することが望ましい。

つまり、発光素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂの射出光量の比を所望の色を生成するための波長λ_Ｒ，λ_Ｇ，λ_Ｂに応じたパワーバランスａ：ｂ：ｃに設定する。しかしながら、発光素子としての半導体レーザの発振波長は、半導体レーザチップが実装されるパッケージの温度Ｔｐに応じて変化するため、所望の色の光を生成できなくなることが懸念される。

ここで、図５も参照して半導体レーザの発振波長について説明する。図５は半導体レーザの発振波長の一例を説明する図である。図５に示すように、パッケージの温度Ｔｐは、周辺の雰囲気温度や射出光量に応じ、半導体レーザに注入される印加電流に伴って変動する。

例えば、白を表示する場合、Ｒ，Ｇ，Ｂのパワーバランスは約２．５：１：０．５であり、赤の発光素子１１１Ｒの射出光量が高く、青の発光素子１１１Ｇの射出光量が低いため、表示時間が同じであっても、パッケージの温度Ｔｐに差がでてくる。

つまり、所望の色の虚像を表示するためには、雰囲気温度や射出光量をタイムリーに監視して各半導体レーザの現在の波長を推定し、推定した波長に基づいて発光素子それぞれの射出光量のパワーバランスを適切に制御することが好ましい。このようにすることで、適切な色味の虚像を表示できる。

そこで、合波素子１１５で合成されたレーザ光を、分波手段の一例としての分波素子１１７により分波し、発光素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ毎に光検出器６３０で光量を検出して、取得した光量情報に基づきパワーバランスが一定に保たれるように、画像生成部８０４によって各々の光出力が制御される。

波長推定部６２０は、光検出器６３０からの光量情報に加えて、温度センサで雰囲気温度を検出し、発光素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂのそれぞれから出射されるレーザ光の現在の波長を推定する。

このとき、発光素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂの射出光の現在の波長λは、以下の（１）式で表すことができる。
λ＝λ（０）＋α×｛Ｔａ－Ｔａ（０）｝＋β×｛Ｐ－Ｐ（０）｝ ・・・（１）
なお、（１）式におけるλ（０）は基準波長、αは雰囲気温度係数、Ｔａは現在の雰囲気温度、Ｔａ（０）は基準波長測定時の雰囲気温度、βは光量係数、Ｐは現在の射出光量、Ｐ（０）は基準波長測定時の射出光量である。

ここで、基準波長λ（０）、基準波長測定時の雰囲気温度Ｔａ（０）、基準波長測定時の射出光量Ｐ（０）は、製造時に測定され、個体毎の特有値として、予め不揮発性メモリ（ＲＯＭ）等に記憶される。一方、温度係数α、光量係数βは発光素子１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂによる個体差がほとんどないため、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎に一定値を用いることができる。

＜光偏向器１５の構成例＞
次に、光偏向器１５の構成について、図６を参照して説明する。図６は光偏向器１５の構成の一例を説明する図である。

光偏向器１５は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーである。図６に示すように、光偏向器１５は、反射面を有する走査ミラー１５０と、複数の折り返し部を有して蛇行して形成された一対の蛇行状梁部１５２とを備えている。

蛇行状梁部１５２は、一つおきに梁部Ａ（１５２ａ）と、梁部Ｂ（１５２ｂ）とに分けられ、枠部材１５４に支持されている。蛇行状梁部１５２a,１５２ｂには蛇行した隣り合う梁毎に独立の圧電部材（例えばＰＺＴ）１５６が設けられている。

これらの圧電部材１５６の一つおき（Ａ，Ｂ）に異なる電圧を印加して、蛇行状梁部１５２a,１５２ｂに反りを発生させることで、隣り合う梁が異なる方向に撓む。この撓みが累積されて、走査ミラー１５０をｘ軸回り（副走査方向）に大きな角度で回転させることができる。この構成により、ｘ軸を中心とした垂直方向への光走査を低電圧で実現できる。一方、ｙ軸を中心とした主走査方向では、走査ミラー１５０を支持する梁を回転軸とした一次共振により光走査が行われる。

＜スクリーン３０の構成例＞
次に、スクリーン３０の構成について、図７を参照して説明する。図７は、スクリーン３０の構成の一例を説明する図であり、（ａ）は拡大平面図、（ｂ）は側方から見た光路図をそれぞれ示している。

図７（ａ）に示すように、スクリーン３０は、マイクロレンズ３００がアレイ状に整列して配置された光学板３０１を含んで構成された透過型のスクリーンである。光学板３０１上をレーザ光の入射光束３０２が走査する際に、入射光束３０２はマイクロレンズ３００により発散され、発散光３０３となる。

図７（ｂ）の左側の図に示すように、マイクロレンズ３００の構造により、入射光束３０２を所望の発散角３０４で発散させることできる。一般に、レーザ光等のコヒーレント光をスクリーン上で走査する場合、スペックルが課題となる場合がある。

図７（ｂ）の右側の図では、レーザ光の入射光束３０２の直径３０６が、光学板３０１におけるマイクロレンズ３００の周期３０５の２倍大きい場合の発散光の光路を示している。入射光束３０２は２つのマイクロレンズ３１３,３１４に同時入射し、それぞれ発散光束３１５,３１６を発生させる。このとき、領域３１７では、２つの発散光束が同時に存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光束が観察者の目に入ると、スペックルとして視認され、走査光により生成される虚像の視認性が低下する。

このようにマイクロレンズ３００の周期３０５より入射光束３０２の直径３０６が大きいとスペックルが生じる場合があるため、実施形態では、マイクロレンズ３００の周期３０５を入射光束３０２の直径３０６よりも大きくなるように設計している。これにより、マイクロレンズ３００間での干渉を回避し、スペックルの発生を抑えている。

なお、図７では、凸面のマイクロレンズ３００を例示したが、凹面においても同様の効果がある。また、透過型に代えて反射型のスクリーンを用いることもできる。

[第１実施形態]
＜光走査装置５００の構成例＞
次に第１実施形態に係る光走査装置５００の構成について、図８を参照して説明する。図８は、光走査装置５００の構成の一例を説明する斜視図である。

図８にしめすように、光走査装置５００は、光源部１１ａと、分波素子１１７と、結像レンズ１１６と、反射ミラー１１８と、光偏向器１５と、折り返しミラー１１９と、受光レンズ１２０と、光検出器６３０と、検知ミラー１２１ａ,１２１ｂと、検知素子１２２ａ,１２２ｂとを備えている。これらは、支持体の一例としてのプリント基板５５０に実装され、支持されている。

光走査装置５００による走査光は、シリンダミラー２０で反射された後、スクリーン３０の被走査面３１上で走査される。

光源部１１ａから射出された３色のレーザ光の合波光Ｌ１は、分波素子１１７によって所定の光量比で主光線と、モニタ光に分波される。この主光線は第１の光の一例であり、モニタ光は第２の光の一例である。

分波素子１１７により主走査方向に沿う＋Ｘ方向に折り曲げられたモニタ光は、折り返しミラー１１９によって副走査方向に沿う－Ｙ方向側に折り返され、受光レンズ１２０を介して、プリント基板５５０に実装された光検出器６３０に入射される。

折り返しミラー１１９は、モニタ光を光検出器６３０に向けて折り返す折り返し手段である。また受光レンズ１２０は、光検出器６３０の受光面に入射するモニタ光の面積を受光面の面積以下になるように収束させる収束手段である。

分波素子１１７を透過した主光線は、結像レンズ１１６を透過し、反射ミラー１１８で－Ｙ方向側に反射されて、光偏向器１５の走査ミラー１５０の搖動軸１６１を含む面内で、走査ミラー１５０に入射する。走査ミラー１５０により２次元に走査された主光線は、Ｘ方向に沿う方向に曲率を有するシリンダミラー２０で反射され、結像レンズ１１６の作用でスクリーン３０の被走査面３１で結像するように構成されている。

シリンダミラー２０は、スクリーン３０に含まれるマイクロレンズ３００の透過光が所望の発散度合いとなるように曲率が設定される。スクリーン３０は、主光線のスポット直径が、被走査面３１内でほぼ均一となるように結像特性に合わせてＸ方向に沿って湾曲した形状に形成されている。

検知ミラー１２１ａ,１２１ｂは、Ｘ方向における画像領域外において、スクリーン３０に向かう主光線に含まれるＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光のうちの何れか１つのレーザ光を－Ｙ方向側に折り返す。ここで、画像領域外とは、走査光によりスクリーン３０の面上に画像を形成する領域以外の領域をいう。検知ミラー１２１ａで折り返されたレーザ光は、プリント基板５５０に実装された検知素子１２２ａに入射し、検知ミラー１２１ｂで折り返されたレーザ光は、プリント基板５５０に実装された検知素子１２２ｂに入射する。

検知素子１２２ａ,１２２ｂが走査の開始側と終了側の両側で入射されたレーザ光を検知することで、走査ミラー１５０の搖動の振幅を検出するとともに、画像書出しのタイミングを検知できる。

＜光源部１１ａの構成例＞
次に、本実施形態に係る光源部１１ａの構成について、図９及び図１０を参照して説明する。図９は光源部１１ａの構成の一例を説明する分解斜視図であり、図１０は光源部１１ａの構成の一例を説明する断面図である。

図９に示すように、異なる波長である波長λ_Ｒ，λ_Ｇ，λ_Ｂのレーザ光を射出する発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂは、ＣＡＮパッケージ型半導体レーザが用いられ、ステムの基準面を揃えて所定方向に配列されている。また放熱性を上げるためにアルミダイカスト製のケース１１０の側壁面に保持される。発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂのそれぞれの射出光の偏光方向が同一方向になるような向きで、発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂは固定されている。

カップリングレンズ１１２Ｒ,１１２Ｇ,１１２Ｂは、発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂのそれぞれと１対１で対応するように設けられ、レンズ光軸上に発光素子の発光点が配置されるように、レンズ光軸に交差する平面内での位置が調整されている。またカップリングレンズ１１２Ｒ,１１２Ｇ,１１２Ｂを透過したレーザ光が所定位置に結像されるようにレンズ光軸方向の位置が調整されている。位置調整後の状態で、ケース１１０の底面に形成した座面との間隙にＵＶ（紫外光）硬化型または熱硬化型の接着剤が充填され、接着剤が硬化することで固定されている。

アパーチャ１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂの発散角のばらつきがあっても、射出光の直径がほぼ一定となるように、カップリングレンズ１１２Ｒ,１１２Ｇ,１１２Ｂのそれぞれを透過したレーザ光を整形する機能を有する。

また合波素子１１５は、プレート状の３つのダイクロイックミラーを備えている。発光素子１１１Ｂによるλ_Ｂ＝４４５（ｎｍ）のレーザ光の光軸に、発光素子１１１Ｇによるλ_Ｇ＝５３０（ｎｍ）のレーザ光に光軸を揃えて合流させ、さらに発光素子１１１Ｒによるλ_Ｒ＝６４０（ｎｍ）のレーザ光に光軸を揃えて合流させる。これにより、同一軸上に揃えられた合波光Ｌがケース１１０の射出口１３１から射出されるようになっている。

ケース１１０は、散乱光が外部に漏れないように、カップリングレンズ１１２Ｒ,１１２Ｇ,１１２Ｂと、各色用のダイクロイックミラーとを収納する空間を、カバー１３２により封止している。またケース１１０は、外壁から張り出したフランジ部１３３、１３４、１３５を放熱フィンが形成されたブラケット１３６にネジで締結できる。

一般に、接着剤は、耐熱性の高いエポキシ樹脂系接着剤が使われることが多いが、膜厚や塗布条件、硬化条件によって硬化時の残留応力や収縮量が異なり、経時的な温度ストレスによる剥離強度や位置ずれへの影響度合いに差が出てくる。

各構成を一体にした単体モジュールとして光源部１１ａを扱うことで、バッチ処理により光走査装置５００とは独立した組立が可能になり、組立効率が上がることで、生産性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、結像レンズ１１６との組み合わせ光学系で、スクリーン３０面上に結像するようにしているが、結像レンズ１１６を透過した主光線がほぼ平行光になるように構成してもよい。

発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂのそれぞれのリード端子は、その回路が設けられたプリント基板５５０のスルーホールに半田付けされ、接続配線される。

光偏向器１５は、その回路が設けられたプリント基板５５０に実装され、走査ミラー１５０の反射面が光源部１１ａによる合波光Ｌ１の射出軸を含む平面と平行となるように配置される。

プリント基板５５０は、合波光Ｌ１の射出軸を含む平面内で、走査ミラー１５０の反射面の中心に合波光Ｌ１が入射するように配置調整され、ハウジング（図示を省略）に固定される。

ここで、本実施形態では、主走査方向に緩やかな凹形状の曲率を有するシリンダミラー２０を用いており、この収束作用によって副走査方向に対して主走査方向の収束点が手前となり、主走査方向と副走査方向とで焦点位置が異なる非点収差が発生する。

そのため、非点収差の発生量Δに応じて、分波素子１１７の厚さtを調整して主走査方向にのみ集束点を延ばし、主走査方向と副走査方向との焦点位置が揃うように補正している。図１１は、このような非点収差の補正の一例を示す図である。

＜分波ユニット２００の構成例＞
ここで、本実施形態に係る分波ユニット２００の構成について、図１２を参照して説明する。図１２は、分波ユニット２００の構成の一例を説明する斜視図である。

図１２に示すように、分波ユニット２００は、分波素子１１７と、折り返しミラー１１９と、受光レンズ１２０と、支持部材２５０とを備え、受光面６３０ａに沿った方向に移動可能に構成された可動部である。支持部材２５０は、分波素子１１７と、折り返しミラー１１９と、受光レンズ１２０とを一体に支持する。

支持部材２５０には、貫通穴２５１，２５２，２５３が形成されている。貫通穴２５１，２５２，２５３に挿通したネジを、プリント基板５５０に形成されたタップ孔に螺合させることで、支持部材２５０をプリント基板５５０に固定できる。これより、分波ユニット２００をプリント基板５５０に固定できるようになっている。

光源部１１ａからの合波光Ｌ１は分波素子１１７で分波され、分波された一方のレーザ光であるモニタ光Ｍは、折り返しミラー１１９で－Ｙ方向側に折り返され、受光レンズ１２０を介して光検出器６３０に入射する。光検出器６３０は、その受光面６３０ａが合波光Ｌ１の射出軸（光軸）を含む平面とほぼ平行になるように、プリント基板５５０に実装されている。

支持部材２５０における貫通穴２５１，２５２，２５３の直径は、ネジにより固定可能な範囲でネジの直径より所定の長さだけ大きく形成され、支持部材２５０は、この所定の長さだけ、光検出器６３０の受光面に沿った平面内で移動可能になっている。支持部材２５０を所定の長さだけ移動可能にすることで、分波ユニット２００は光検出器６３０の受光面に沿った平面内で移動可能になっている。

なお支持部材２５０の底面（プリント基板５５０）には、スペーサ部２５４が形成されており、分波ユニット２００の移動時に支持部材２５０の底面と光検出器６３０とが接触しないようになっている。

また分波ユニット２００は、分波素子１１７により合波光Ｌ１を折り返す方向が光検出器６３０の受光面６３０ａと略平行になり、折り返しミラー１１９により折返す方向が光検出器６３０の受光面６３０ａに交差するように分波素子１１７、折り返しミラー１１９及び受光レンズ１２０を配置している。

分波ユニット２００が受光面６３０ａに沿った方向に移動可能なことで、折り返しミラー１１９により折り返されたモニタ光Ｍの落射位置を調整でき、モニタ光Ｍが受光面６３０ａの中心付近に到達するように位置を調整できるようになっている。

ここで、受光面６３０ａに沿った方向は、例えば受光面６３０ａに平行な方向である。但し、平行であることが厳密に求められるものではなく、一般に誤差と認められる程度の平行からのずれは許容される。

また、分波ユニット２００を移動させても、合波光Ｌ１の分波素子１１７への入射角は変わらないため、分波素子１１７を透過した主光線の屈曲等を抑制でき、スクリーン３０上での結像特性の変化を抑制できるようになっている。なお、分波ユニット２００は、図示を省略するハウジングに締結固定できるようにしてもよい。

ここで、折り返しミラー１１９及び受光レンズ１２０のそれぞれは、導光手段の一例である。但し、導光手段はこれらに限定されるものではなく、モニタ光Ｍを受光面６３０ａに向けて導光できれば、これらのうちの何れか一方を備える構成でもよいし、他の部品を追加した構成でもよい。

また、分波素子１１７により合波光Ｌ１を折り返す方向も光検出器６３０の受光面６３０ａと略平行な方向に限定されるものではなく、折り返しミラー１１９により折返す方向も光検出器６３０の受光面６３０ａに交差する方向に限定されるものではない。

＜画像表示信号例＞
次に、光走査装置５００による画像表示信号について、図１３を参照して説明する。図１３は、光走査装置５００による画像表示信号の一例を説明するタイミングチャートである。

実施形態では、光偏向器１５により走査された発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂによる各レーザ光のうち、Ｒのレーザ光を、主走査方向における走査開始側と走査終了側との各々に配置した検知素子１２２ａ,１２２ｂで検出し、画像書き出しのタイミングを合わせる。

また実施形態では、Ｒのレーザ光のみを射出させて検知素子１２２ａ,１２２ｂで検出することで、Ｒのレーザ光による画像書出しタイミング信号を生成する。またこれとともに、 Ｒに対するＧ，Ｂのレーザ光のビームスポット位置が一致するように位相差を付与し、Ｇ，Ｂのレーザ光の画像書出しタイミング信号を生成する。

これにより、Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザ光のビームスポットの重なりがずれたとしても、主走査方向における画像位置を一致させることができる。一方で、副走査方向においては、画像データのインデントを調整し、書出す走査線の選択により画像位置を一致させることができる。

正弦波振動の変位は、周期Ｔ、振幅２Ａ、位相δの３つのパラメータで一義的に定まる。実施形態では、周期Ｔは、光偏向器１５における走査ミラー１５０の共振周波数に応じて設定される基準クロックによって決定され、また振幅２Ａは入力電流により決定される。

検知素子１２２ａ,１２２ｂは走査ミラー１５０の振幅端よりも振幅中心側に配置されるため、往復走査により主光線の検出信号は２回出力される。その時間差をｔｓとすると、振幅端からの位相δはδ＝ｔｓ／２で表される。

従って、任意の時間におけるスクリーン３０上の主光線の位置ｘは、検知素子１２２ａ,１２２ｂによる検知信号からの時間tを用いて、以下の（２）式のように表すことができる。
ｘ＝Ａ×［１－ｃｏｓ｛２π（ｔ＋δ）／２｝］ ・・・（２）
発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂによるレーザ光の射出を制御する光源制御部は、発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂによるレーザ光による画像信号に応じて、発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂ毎に書出タイミングｔｒ，ｔｇ，ｔｂを設定し、各画像位置が重なるように書出タイミングを調整する。

しかしながら、レーザ光の光軸ずれが発生すると、振幅Ａの変動であるか、又は振幅中心ｘ０の変動であるかを判別できない場合がある。

そこで、実施形態では、走査終端側にも検知素子を配置して時間差ｔｅを検出することで、走査開始側と走査終端側との時間差ｔｅ－ｔｓにより補正することで、振幅Ａの変動の影響を受けずに、振幅中心ｘ０の変動のみを補正できるようにしている。

つまり、振幅Ａが変動すると、時間差ｔｅ，ｔｓの何れもが増減するが、振幅中心ｘ０が変動すると、時間差ｔｅ，ｔｓのうちの一方が増え、他方が減るため、この変化に相当する分だけ位相δをずらすことで補正できる。

発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂ毎に書出タイミングｔｒ，ｔｇ，ｔｂを調整しているため、例えば、電源投入時の動作チェックにおいて、発光素子１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂを順次点灯し、各々の振幅中心ｘ０を検出し、書出タイミングの位相差を設定することで、各画像位置が重なるように補正できる。

なお、振幅Ａの変動を別の方法で検出し、一定となるように予め補正しておけば、走査開始側と走査終端側とに検知素子１２２ａ,１２２ｂを配置する必要はなく、往走査か、復走査の何れか一方で検知すればよい。

振幅Ａの変動を検出する方法としては、例えば、走査ミラー１５０を支持する梁の撓み量を計測する方法等を適用できる。

＜分波ユニット２００の作用効果＞
次に、分波ユニット２００の作用効果について説明する。

運転者に少ない視線移動で警報や情報を認識させるための、車両に搭載するＨＵＤの技術開発が進んでいる。特に、ＡＤＡＳ (Advanced Driving Assistance System)という言葉に代表される車載センシング技術の進展に伴い、車両はさまざまな走行環境情報および車内乗員の情報を取り込むことができるようになってきている。これらの情報を周辺車両や歩行者などに重ね合わせて運転者に伝えるＡＲ（拡張現実）表示が可能な画像表示装置としてＨＵＤは注目されている。

ＡＲ表示のためには、走行車線外の情報、つまり隣接する車線や交差する道路の車両情報、歩道の歩行者や自転車等にも対応する表示領域の拡大が必須であり、車両の左右方向に相当する主走査方向において広画角化が求められている。

ＨＵＤ内部に装着され、中間像が形成されるスクリーンのサイズも大画面化が求められ、１０°×３°以上の画角が要求される場合もある。

一方で、ＨＵＤが搭載されるフロントウインドシールド下のダッシュボード内部は、車両構造体フレームを構成するクロスカービームや換気用のダクト、スピードメーター、警告灯等の計器パネルをはじめ、収容スペースが圧迫している。そのため、これらの内蔵物を避けてＨＵＤを設置できると好適である。

ＨＵＤのうち、レーザ光を走査して中間像を形成する方式を用いるものは、中間像を生成する中間像生成部と、車両のフロントウインドシールドにより中間像を虚像として拡大表示する拡大投射部とを含んで構成される。ＨＵＤ内部に中間像生成部と、拡大投射部とが収容される。

広画角及び大画面化に伴って、拡大投射部に含まれる凹面ミラー等が大型化し、中間像生成部自体も中間像サイズの拡大によりスクリーンの大型化が要求されている。ダッシュボード内のスペースには制約があるため、中間像生成部に対しても小型化が要求される。

レーザ光を走査する構成の小型化では、光源部と、光源部からの光の一部を受光する光検出器とを共通の基板に配置し、光源からの光の分波光を受光素子に導光する構成等が開示されているが、従来の構成では、光源部からの光の分波光を光検出器に安定して導光できない場合がある。

これに対し、本実施形態では、分波素子１１７と、折り返しミラー１１９と、受光レンズ１２０とを一体にして支持し、光検出器６３０における受光面６３０ａに沿った平面内で移動可能に構成された分波ユニット２００を備える。受光面６３０ａに沿った方向は、例えば受光面６３０ａに平行な方向である。

分波ユニット２００を受光面６３０ａに沿った方向に移動させることで、折り返しミラー１１９により折り返されたモニタ光Ｍの落射位置を調整でき、モニタ光Ｍが受光面６３０ａの中心付近に到達するように位置を調整でき、モニタ光Ｍを光検出器６３０の受光面６３０ａに安定して導光することができる。これにより、光源部１１ａによる合波光Ｌ１の光量を適切に検出することで色毎のパワーバランスを保持し、色味の変動がない高品位な表示画像が形成できる。

また、分波ユニット２００を移動させても、合波光Ｌ１の分波素子１１７への入射角は変わらないので、分波素子１１７を透過した主光線の屈曲等を抑制でき、スクリーン３０上での結像特性の変化を抑制でき、ＨＵＤを小型化しつつ表示する画像の品質を確保することができる。

また本実施形態では、折り返しミラー１１９によりモニタ光Ｍを光検出器６３０に向けて折り返す構成にしている。これにより、分波ユニット２００を小型に構成することが可能になる。

また本実施形態では、受光レンズ１２０により受光面６３０ａに入射するモニタ光Ｍの面積を、受光面６３０ａの面積以下に収束させる。これにより、モニタ光Ｍを受光面６３０ａ内に確実に受光させることができる。そして安定した光量検出を可能とし、各波長のパワーバランスを保持でき、色味の変動がない高品位な表示画像が形成できる。

また本実施形態では、光源部１１ａと、光検出器６３０は、同一の支持体であるプリント基板５５０に支持されている。光検出器６３０を実装するプリント基板５５０を個別に備える必要がないため、光走査装置５００を小型化でき、また配線作業も省略されため、組立効率が向上する。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る光走査装置５００ａについて、図１４を参照して説明する。図１４は、光走査装置５００ａの構成の一例を説明する斜視図である。

光走査装置５００ａは、光源部１１ａａと、光源部１１ａｂと、結像レンズ１１６ａと、分波素子１１７ａと、分波素子１１７ｂとを備えている。

光源部１１ａａと、光源部１１ａｂは、結像レンズ１１６ａの中心軸（光軸）に対して対称となる位置に配置されている。光源部１１ａａからの合波光Ｌ１と、光源部１１ａｂからの合波光Ｌ２は、結像レンズ１１６ａの中心軸に対して、主走査方向であるＸ方向に沿って偏心して入射される。

結像レンズ１１６ａを透過した合波光Ｌ１，Ｌ２は、相互に交差する方向に屈曲され、反射ミラー１１８により副走査方向であるＹ方向に反射されて、走査ミラー１５０の反射面に入射される。ここで、結像レンズ１１６ａの中心軸は、光偏向器１５のＸ方向における揺動軸１６１を含む面に沿う方向に合わせている。

本実施形態では、合波光Ｌ１，Ｌ２の交差する位置が、揺動軸１６１とＹ方向における揺動軸１６２との交点の近傍となるように光源部１１ａａ，１１ａｂを配置している。また合波光Ｌ１，Ｌ２が、走査ミラー１５０の反射面の法線に対してＸ方向において対称に入射されるように、光源部１１ａａ，１１ａｂを配置している。

結像レンズ１１６ａは、球面レンズの上下をカットして光線透過部のみを残した形状となっている。

合波光Ｌ１は、分波素子１１７ａによって一定の光量比で主光線と、モニタ光に分波される。合波光Ｌ２は、分波素子１１７ｂによって一定の光量比で主光線と、モニタ光に分波される。

分波素子１１７ａ，１１７ｂは、光源部１１ａａ，１１ａｂ毎に設けられ、分波素子１１７ａは合波光Ｌ１の一部を＋Ｘ方向に反射する。反射光はモニタ光になり、透過光は主光線になる。同様に、分波素子１１７ｂは合波光Ｌ２の一部を＋Ｘ方向に反射し、反射光はモニタ光になり、透過光は主光線になる。

２つの主光線は、結像レンズ１１６ａによりスクリーン３０に結像され、スクリーン３０上での被走査面を被走査面３１a，３１ｂとして主走査方向に分割して画像形成できる。

分波素子１１７ｂで反射されたモニタ光は、分波素子１１７ａを透過して、折り返しミラー１１９で－Ｙ方向に折り返され、光検出器６３０に入射される。分波ユニット２００等の他の構成及びその効果は、第１実施形態と同様であるため、ここでは重複する説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態では、複数の光源部１１ａａ，１１ａｂと、複数の光源部１１ａａ，１１ａｂに１対１で対応させて分波素子１１７ａ，１１７ｂを備える。また光検出器６３０は、分波素子１１７ａ，１１７ｂのそれぞれで分波された複数のモニタ光の光量を検出する。

複数の光源部１１ａａ，１１ａｂを用いることで、スクリーン３０上での被走査面を被走査面３１a，３１ｂとして主走査方向に分割して画像形成を行うことができ、広画角、大画面化に対応できる。そして、このような光走査装置５００ａにおいても、共通の指標で各光源部１１ａａ，１１ａｂの光量検出が行えるため、各波長のパワーバランスを保持でき、隣接する被走査領域間で色味の差がない高品位な表示画像が形成できる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

上記で説明した実施形態の各機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、上記で説明した各機能を実行するよう設計されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。

１ ＨＵＤ
１０ 光照射部
１１，１１ａ 光源部
１５ 光偏向器
１５０ 走査ミラー
３０ スクリーン
４０ 凹面ミラー
５０ フロントガラス
１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ 発光素子
１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ カップリングレンズ
１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ アパーチャ
１１５ 合波素子
１１６ 結像レンズ
１１７ 分波素子（分波手段の一例）
１１８ 反射ミラー
１１９ 折り返しミラー（折り返し手段の一例）
１２０ 受光レンズ（導光手段の一例）
１２１ａ，１２１ｂ 検知ミラー
１２２ａ，１２２ｂ 検知素子
２００ 分波ユニット（可動部の一例）
２５０ 支持部材
５００ 光走査装置
５５０ プリント基板（支持体の一例）
６３０ 光検出器
６３０ａ 受光面
Ｌ１、Ｌ２ 合波光
Ｍ モニタ光（第２の光の一例）

特許５８５３４１４号公報

Claims (7)

1. 波長の異なる光をそれぞれ射出する複数の発光素子と、前記複数の発光素子のそれぞれの射出光を合波する合波素子とを有し、前記合波素子による合波光を出力する光源部と、
   前記合波光を少なくとも第１の光と、第２の光に分波する分波手段と、
   前記第２の光を導光する導光手段と、
   前記導光手段を介して前記第２の光の光量を検出する光検出器と、
   前記分波手段と前記導光手段とを一体に支持し、前記光検出器の受光面に沿った平面内で移動可能に構成された可動部とを備える
   光走査装置。
2. 前記導光手段は、前記第２の光を前記光検出器に向けて折り返す折り返し手段を含む
   請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記導光手段は、前記受光面に入射する前記第２の光の面積を、前記受光面の面積以下に収束させる収束手段を含む
   請求項１、又は２に記載の光走査装置。
4. 前記光源部を複数備え、
   前記分波手段は、複数の前記光源部のそれぞれが出力する前記合波光を分波し、
   前記光検出器は、複数の前記光源部のそれぞれが出力する前記合波光の前記第２の光の光量を、前記導光手段を介して検出する
   請求項１、又は２に記載の光走査装置。
5. 前記光源部と、前記光検出器は、同一の支持体に支持されている
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の光走査装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の光走査装置を備える
   ヘッドアップディスプレイ。
7. 請求項６に記載のヘッドアップディスプレイを備える
   移動体。

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