JP7510555B2 - Optical scanning device, optical scanning method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、光源からの光を走査する装置に関する。 The present invention relates to a device for scanning light from a light source.
レーザ光を走査することにより画像を表示する装置が知られている。レーザスキャン型投影装置では、変調されたレーザ光を走査ミラーで水平および垂直方向に走査することで、所望の画像を投射面に投影する。この種の装置では、機械特性が温度依存性を有する走査ミラーの影響を補償するため、走査ミラーの回動によって生じる歪を検出する歪センサを走査ミラーに設け、走査ミラーの回転位置を示す信号である歪センサからの出力信号を使用して、走査ミラーの駆動を一定に保つための制御、およびレーザ光の発光タイミングの制御が行われる。 Devices that display images by scanning laser light are known. In laser scanning projection devices, a desired image is projected onto a projection surface by scanning modulated laser light in horizontal and vertical directions with a scanning mirror. In this type of device, in order to compensate for the effects of the scanning mirror, whose mechanical characteristics are temperature-dependent, a distortion sensor that detects distortion caused by the rotation of the scanning mirror is provided on the scanning mirror, and the output signal from the distortion sensor, which is a signal indicating the rotational position of the scanning mirror, is used to control the driving of the scanning mirror to be constant and to control the timing of the emission of the laser light.
例えば、特許文献1には、走査ミラーの機械特性の温度依存性に加えて、ミラー回転角信号の伝達特性の温度依存性の温度補償を行うレーザ投射表示装置が開示されている。特許文献1の装置は、レーザ光源から射出されたレーザ光を反射して2次元状に走査する走査ミラーと、走査ミラーの回転角を検出するセンサとを有し、センサから出力されたセンサ信号に基づき走査ミラーの駆動を制御する。その際、温度補償部は、走査ミラーの近傍に配置した温度計で測定した温度により、センサ信号を伝送する信号伝送路の伝達特性の温度依存性を補償する。 For example, Patent Document 1 discloses a laser projection display device that performs temperature compensation for the temperature dependency of the transfer characteristics of a mirror rotation angle signal in addition to the temperature dependency of the mechanical characteristics of the scanning mirror. The device in Patent Document 1 has a scanning mirror that reflects and two-dimensionally scans the laser light emitted from a laser light source, and a sensor that detects the rotation angle of the scanning mirror, and controls the driving of the scanning mirror based on a sensor signal output from the sensor. In this case, the temperature compensation unit compensates for the temperature dependency of the transfer characteristics of the signal transmission path that transmits the sensor signal using the temperature measured by a thermometer placed near the scanning mirror.
一般的に走査ミラーとしてMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを使用する場合、MEMSミラーは、主走査方向にはMEMSミラーの共振周波数により駆動され(これを「共振駆動」と呼ぶ。)、副走査方向には共振周波数よりも低い周波数で駆動される(これを「リニア駆動」と呼ぶ。)。共振駆動の場合、少ない電力での駆動が可能となり、リニア駆動の場合、比較的大きな電力を必要とする。 Generally, when a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror is used as a scanning mirror, the MEMS mirror is driven in the main scanning direction by the resonant frequency of the MEMS mirror (this is called "resonant driving"), and in the sub-scanning direction by a frequency lower than the resonant frequency (this is called "linear driving"). In the case of resonant driving, driving is possible with little power, while in the case of linear driving, a relatively large amount of power is required.
例えば、電磁式のMEMSミラーでは、リニア駆動によりミラーの振り角を大きくする際に比較的大きな電流をコイルに流す必要があるため、瞬間的にコイルが発熱する。コイルの発熱は走査範囲の上端部および下端部で最も大きくなり、MEMSミラーおよびミラーの回転角を検出するセンサがこの発熱の影響を受けることになる。この場合、特許文献1のように温度計でMEMSミラーの温度を検出しようとしても、このような瞬間的な温度変化を検出することは困難である。そのため、副走査方向の走査位置に応じて適切な補正を行うことができず、MEMSミラーの主走査方向の駆動を一定に保つことができない。その結果、副走査方向の走査位置によっては、主走査方向の走査においてレーザ光の発光タイミングが所望の位置からずれてしまう。 For example, in an electromagnetic MEMS mirror, a relatively large current must be passed through the coil when increasing the mirror's swing angle by linear drive, which causes the coil to heat up instantaneously. The heat generated by the coil is greatest at the upper and lower ends of the scanning range, and the MEMS mirror and the sensor that detects the mirror's rotation angle are affected by this heat. In this case, even if an attempt is made to detect the temperature of the MEMS mirror with a thermometer as in Patent Document 1, it is difficult to detect such instantaneous temperature changes. As a result, appropriate correction cannot be made according to the scanning position in the sub-scanning direction, and the drive of the MEMS mirror in the main scanning direction cannot be kept constant. As a result, depending on the scanning position in the sub-scanning direction, the timing of emitting the laser light during scanning in the main scanning direction may deviate from the desired position.
本発明の解決しようとする課題としては、上記のものが一例として挙げられる。本発明は、主走査方向の走査において常に適切な発光タイミングを維持できるようにすることを目的とする。 The above is one example of a problem that the present invention aims to solve. The present invention aims to always maintain appropriate light emission timing when scanning in the main scanning direction.
請求項に記載の発明は、光走査装置であって、光ビームを出力する光源と、反射面で前記光ビームを反射し、前記光ビームを水平方向及び垂直方向に走査する走査ミラー、並びに、前記走査ミラーを回動させる駆動部を有する走査部と、前記水平方向における前記光ビームの走査位置、及び、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置を検出する検出部と、前記垂直方向における前記光ビームの最大振幅Vmaxと、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置の変位と、に基づき、前記走査ミラーの水平方向への駆動開始タイミングから前記光ビームの出力開始タイミングまでの時間に相当する遅延時間を算出し、当該遅延時間を用いて前記水平方向の走査における前記光ビームの出力期間を補正する補正部と、を備える。 The invention described in the claims is an optical scanning device comprising: a light source that outputs a light beam; a scanning mirror that reflects the light beam on a reflecting surface and scans the light beam in the horizontal and vertical directions; a scanning unit having a drive unit that rotates the scanning mirror; a detection unit that detects the scanning position of the light beam in the horizontal direction and the scanning position of the light beam in the vertical direction; and a correction unit that calculates a delay time corresponding to the time from the start of driving the scanning mirror in the horizontal direction to the start of outputting the light beam based on the maximum amplitude Vmax of the light beam in the vertical direction and the displacement of the scanning position of the light beam in the vertical direction, and corrects the output period of the light beam in the horizontal scan using the delay time.
請求項に記載の発明は、光ビームを出力する光源と、反射面で前記光ビームを反射し、前記光ビームを水平方向及び垂直方向に走査する走査ミラー、並びに、前記走査ミラーを回動させる駆動部を有する走査部と、を備える光走査装置により実行される光走査方法であって、前記水平方向における前記光ビームの走査位置、及び、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置を検出する検出工程と、前記垂直方向における前記光ビームの最大振幅Vmaxと、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置の変位と、に基づき、前記走査ミラーの水平方向への駆動開始タイミングから前記光ビームの出力開始タイミングまでの時間に相当する遅延時間を算出し、当該遅延時間を用いて前記水平方向の走査における前記光ビームの出力期間を補正する補正工程と、を備える。 The invention described in the claims is an optical scanning method executed by an optical scanning device including a light source that outputs a light beam, a scanning mirror that reflects the light beam on a reflecting surface and scans the light beam in horizontal and vertical directions, and a scanning unit having a drive unit that rotates the scanning mirror, and includes a detection step of detecting the scanning position of the light beam in the horizontal direction and the scanning position of the light beam in the vertical direction, and a correction step of calculating a delay time corresponding to the time from the start of driving the scanning mirror in the horizontal direction to the start of outputting the light beam based on the maximum amplitude Vmax of the light beam in the vertical direction and the displacement of the scanning position of the light beam in the vertical direction, and correcting the output period of the light beam in the horizontal scan using the delay time.
請求項に記載の発明は、光ビームを出力する光源と、反射面で前記光ビームを反射し、前記光ビームを水平方向及び垂直方向に走査する走査ミラー、並びに、前記走査ミラーを回動させる駆動部を有する走査部と、コンピュータと、を備える光走査装置により実行されるプログラムであって、前記水平方向における前記光ビームの走査位置、及び、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置を検出する検出工程と、前記垂直方向における前記光ビームの最大振幅Vmaxと、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置の変位と、に基づき、前記走査ミラーの水平方向への駆動開始タイミングから前記光ビームの出力開始タイミングまでの時間に相当する遅延時間を算出し、当該遅延時間を用いて前記水平方向の走査における前記光ビームの出力期間を補正する補正工程と、を前記コンピュータに実行させる。 The invention described in the claims is a program executed by an optical scanning device including a light source that outputs a light beam, a scanning mirror that reflects the light beam on a reflecting surface and scans the light beam in horizontal and vertical directions, a scanning unit having a drive unit that rotates the scanning mirror, and a computer, and causes the computer to execute a detection process of detecting the scanning position of the light beam in the horizontal direction and the scanning position of the light beam in the vertical direction, and a correction process of calculating a delay time corresponding to the time from the start of driving the scanning mirror in the horizontal direction to the start of outputting the light beam based on the maximum amplitude Vmax of the light beam in the vertical direction and the displacement of the scanning position of the light beam in the vertical direction, and correcting the output period of the light beam in the horizontal scan using the delay time.
本発明の1つの好適な実施形態では、光走査装置は、光ビームを出力する光源と、前記光ビームを、第1方向および前記第1方向と交わる第2方向に走査する走査部と、前記走査部による前記光ビームの前記第1方向および前記第2方向に沿った射出方向を検出する検出部と、前記光ビームの前記第2方向に沿った射出方向に応じて、前記第1方向に沿った走査における前記光ビームの出力期間の開始タイミングを補正するタイミング補正部と、を備える。 In one preferred embodiment of the present invention, an optical scanning device includes a light source that outputs a light beam, a scanning unit that scans the light beam in a first direction and a second direction intersecting the first direction, a detection unit that detects the emission direction of the light beam along the first direction and the second direction by the scanning unit, and a timing correction unit that corrects the start timing of the output period of the light beam in scanning along the first direction according to the emission direction of the light beam along the second direction.
上記の光走査装置は、光源が光ビームを出力し、走査部は光ビームを、第1方向および前記第1方向と交わる第2方向に走査する。検出部は、走査部による光ビームの第1方向および第2方向に沿った射出方向を検出し、タイミング補正部は、光ビームの第2方向に沿った射出方向に応じて、第1方向に沿った走査における光ビームの出力期間の開始タイミングを補正する。これにより、第2方向における光ビームの射出方向に応じて、適切なタイミングで第1方向に沿って光ビームの射出が開始される。 In the above optical scanning device, the light source outputs a light beam, and the scanning unit scans the light beam in a first direction and a second direction intersecting the first direction. The detection unit detects the emission direction of the light beam by the scanning unit along the first and second directions, and the timing correction unit corrects the start timing of the output period of the light beam in scanning along the first direction according to the emission direction of the light beam along the second direction. This causes emission of the light beam along the first direction to start at an appropriate timing according to the emission direction of the light beam in the second direction.
上記の光走査装置の一態様では、前記タイミング補正部は、前記第1方向において前記光ビームを走査する向き、前記第2方向における前記光ビームの走査の最大振幅、および、前記光ビームの前記第2方向における走査の振幅に基づいて算出した補正値を用いて前記開始タイミングを補正する。これにより、第1方向において光ビームを走査する向きに応じた適切なタイミングで、第1方向における光ビームの射出が開始される。 In one aspect of the optical scanning device described above, the timing correction unit corrects the start timing using a correction value calculated based on the direction of scanning the light beam in the first direction, the maximum amplitude of scanning the light beam in the second direction, and the amplitude of scanning the light beam in the second direction. This allows emission of the light beam in the first direction to start at an appropriate timing according to the direction of scanning the light beam in the first direction.
上記の光走査装置の他の一態様では、前記第1方向は、前記光ビームが前記走査部の共振周波数で駆動される方向である。この態様では、光ビームは第1方向に沿って、走査部の共振周波数で効率的に走査される。 In another aspect of the optical scanning device, the first direction is a direction in which the light beam is driven at the resonant frequency of the scanning unit. In this aspect, the light beam is efficiently scanned along the first direction at the resonant frequency of the scanning unit.
上記の光走査装置の他の一態様では、前記走査部は、反射面で前記光ビームを反射し、前記光ビームを前記第1方向および前記第2方向に走査する走査ミラーと、前記走査ミラーの前記反射面を前記第1方向および前記第2方向に回動させる駆動部と、を備える。この態様では、反射面を有する走査ミラーにより光ビームが走査される。 In another aspect of the optical scanning device described above, the scanning unit includes a scanning mirror that reflects the light beam at a reflecting surface and scans the light beam in the first direction and the second direction, and a driving unit that rotates the reflecting surface of the scanning mirror in the first direction and the second direction. In this aspect, the light beam is scanned by a scanning mirror having a reflecting surface.
本発明の他の好適な実施形態は、光ビームを出力する光源と、前記光ビームを、第1方向および前記第1方向と交わる第2方向に走査する走査部と、を備える光走査装置により実行される光走査方法であって、前記光ビームの前記第1方向および前記第2方向に沿った射出方向を検出する検出工程と、前記光ビームの前記第2方向に沿った射出方向に応じて、前記第1方向に沿った走査における前記光ビームの出力期間の開始タイミングを補正するタイミング補正工程と、を備える。この方法によっても、これにより、第2方向における光ビームの射出方向に応じて、適切なタイミングで第1方向に沿って光ビームの射出が開始される。 Another preferred embodiment of the present invention is an optical scanning method executed by an optical scanning device including a light source that outputs a light beam and a scanning unit that scans the light beam in a first direction and a second direction intersecting the first direction, and includes a detection step of detecting the emission direction of the light beam along the first direction and the second direction, and a timing correction step of correcting the start timing of the output period of the light beam in scanning along the first direction according to the emission direction of the light beam along the second direction. This method also starts emission of the light beam along the first direction at an appropriate timing according to the emission direction of the light beam in the second direction.
本発明の他の好適な実施形態は、光ビームを出力する光源と、前記光ビームを、第1方向および前記第1方向と交わる第2方向に走査する走査部と、コンピュータと、を備える光走査装置により実行されるプログラムであって、前記光ビームの前記第1方向および前記第2方向に沿った射出方向を検出する検出工程と、前記光ビームの前記第2方向に沿った射出方向に応じて、前記第1方向に沿った走査における前記光ビームの出力期間の開始タイミングを補正するタイミング補正工程と、を前記コンピュータに実行させる。このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記の光走査装置を実現することができる。このプログラムは、記憶媒体に記憶して取り扱うことができる。 Another preferred embodiment of the present invention is a program executed by an optical scanning device including a light source that outputs a light beam, a scanning unit that scans the light beam in a first direction and a second direction intersecting the first direction, and a computer, and causes the computer to execute a detection process for detecting the emission direction of the light beam along the first direction and the second direction, and a timing correction process for correcting the start timing of the output period of the light beam in scanning along the first direction according to the emission direction of the light beam along the second direction. By executing this program on a computer, the above-mentioned optical scanning device can be realized. This program can be stored in a storage medium and handled.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
[装置構成]
(ヘッドアップディスプレイ)
まず、本発明の光走査装置の実施例である投影装置を適用したヘッドアップディスプレイ(以下、「HUD」と呼ぶ。)の一例を説明する。図1は、HUD40の概略構成を示す。図1に示すように、HUD40は、光源ユニット41を備える。HUD40は、フロントウィンドウ46、天井部47、ボンネット48、ダッシュボード49などを備える車両に取り付けられる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Device configuration]
(Head-up display)
First, an example of a head-up display (hereinafter, referred to as "HUD") to which a projection device, which is an embodiment of the optical scanning device of the present invention, is applied will be described. Fig. 1 shows a schematic configuration of a HUD 40. As shown in Fig. 1, the HUD 40 includes a light source unit 41. The HUD 40 is attached to a vehicle including a windshield 46, a ceiling portion 47, a bonnet 48, a dashboard 49, etc.
光源ユニット41は、支持部材43a、43bを介して車室内の天井部47に設置され、運転を補助する情報を示す画像を構成する光を、コンバイナ44に向けて射出する。具体的には、光源ユニット41は、内部の投影装置42により光源ユニット41内に表示像の元画像(実像)を生成し、その画像を構成する光をコンバイナ44へ射出することで、コンバイナ44を介して運転者に虚像Ivを視認させる。 The light source unit 41 is installed on the ceiling 47 inside the vehicle cabin via support members 43a and 43b, and emits light that constitutes an image showing information that assists driving toward the combiner 44. Specifically, the light source unit 41 generates an original image (real image) of the display image within the light source unit 41 using an internal projection device 42, and emits light that constitutes the image to the combiner 44, allowing the driver to view a virtual image Iv through the combiner 44.
コンバイナ44は、光源ユニット41から射出される表示像が投影されると共に、表示像を運転者のアイポイントPeへ反射することで当該表示像を虚像Ivとして表示させる。コンバイナ44は、天井部47に設置された支持軸部45を有し、支持軸部45を支軸として回動する。支持軸部45は、例えば、フロントウィンドウ46の上端近傍の天井部47、言い換えると運転者用の図示しないサンバイザが設置される位置の近傍に設置される。なお、支持軸部45は、上述のサンバイザに代えて設置されてもよい。 The combiner 44 projects the display image emitted from the light source unit 41 and reflects the display image to the driver's eye point Pe, thereby displaying the display image as a virtual image Iv. The combiner 44 has a support shaft 45 installed on the ceiling 47 and rotates around the support shaft 45 as a support shaft. The support shaft 45 is installed, for example, on the ceiling 47 near the upper end of the front window 46, in other words, near the position where a sun visor (not shown) for the driver is installed. The support shaft 45 may be installed in place of the sun visor described above.
(投影装置)
次に、投影装置42について説明する。図2は、投影装置42の内部構成を示すブロック図である。図2に示すように、投影装置42は、画像信号入力部2と、映像処理部3と、フレームメモリ4と、ROM(Read Only Memory)5と、RAM(Random Access Memeory)6と、レーザドライバ7と、MEMSドライバ8と、MEMSミラー95を有するレーザ光源部9と、マイクロレンズアレイ13と、フィールドレンズ14と、タイミングコントローラ21と、MCU(Micro Controller Unit)22と、を備える。投影装置42は、HUD40に用いられ、コンバイナ44に表示像を構成する光を射出する。
(Projection device)
Next, the projection device 42 will be described. Fig. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the projection device 42. As shown in Fig. 2, the projection device 42 includes an image signal input unit 2, a video processing unit 3, a frame memory 4, a ROM (Read Only Memory) 5, a RAM (Random Access Memory) 6, a laser driver 7, a MEMS driver 8, a laser light source unit 9 having a MEMS mirror 95, a microlens array 13, a field lens 14, a timing controller 21, and an MCU (Micro Controller Unit) 22. The projection device 42 is used in the HUD 40 and emits light constituting a display image to a combiner 44.
画像信号入力部2は、外部から入力される画像信号Siを受信して映像処理部3に出力する。映像処理部3は、画像信号入力部2から入力された画像データをフレームメモリ4に書き込み、MEMSミラー95の駆動タイミングに応じて随時読み出し、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色ごとに画像データの各ピクセルの輝度に対応する制御信号を順次レーザドライバ7に送信する。 The image signal input unit 2 receives an image signal Si input from the outside and outputs it to the image processing unit 3. The image processing unit 3 writes the image data input from the image signal input unit 2 into the frame memory 4, reads it out as needed in accordance with the drive timing of the MEMS mirror 95, and sequentially transmits control signals corresponding to the brightness of each pixel of the image data for each color of red (R), green (G), and blue (B) to the laser driver 7.
タイミングコントローラ21は、映像処理部3のフレームメモリ4からの画像データの読み出しタイミングを制御する。また、タイミングコントローラ21は、MEMSミラー95から出力される走査位置情報Scに基づいてMEMSドライバ8の動作タイミングも制御する。 The timing controller 21 controls the timing of reading image data from the frame memory 4 of the image processing unit 3. The timing controller 21 also controls the operation timing of the MEMS driver 8 based on the scanning position information Sc output from the MEMS mirror 95.
ROM5は、映像処理部3が動作するための制御プログラムやデータなどを記憶している。RAM6には、映像処理部3が動作する際のワークメモリとして、各種データが逐次読み書きされる。 The ROM 5 stores control programs and data for the operation of the video processing unit 3. The RAM 6 serves as a work memory when the video processing unit 3 is operating, and various data is sequentially read and written into it.
レーザドライバ7は、後述するレーザ光源部9に設けられるレーザ素子を駆動する信号を生成する。レーザドライバ7は、赤色レーザ駆動回路71と、青色レーザ駆動回路72と、緑色レーザ駆動回路73と、を備える。 The laser driver 7 generates a signal to drive a laser element provided in the laser light source unit 9 described later. The laser driver 7 includes a red laser drive circuit 71, a blue laser drive circuit 72, and a green laser drive circuit 73.
赤色レーザ駆動回路71は、映像処理部3が出力する制御信号に基づき、赤色レーザ素子LD1を駆動する。青色レーザ駆動回路72は、映像処理部3が出力する制御信号に基づき、青色レーザ素子LD2を駆動する。緑色レーザ駆動回路73は、映像処理部3が出力する信号に基づき、緑色レーザ素子LD3を駆動する。 The red laser drive circuit 71 drives the red laser element LD1 based on a control signal output by the video processing unit 3. The blue laser drive circuit 72 drives the blue laser element LD2 based on a control signal output by the video processing unit 3. The green laser drive circuit 73 drives the green laser element LD3 based on a signal output by the video processing unit 3.
MEMSドライバ8は、タイミングコントローラ21が出力する信号に基づきMEMSミラー95を制御する。MEMSドライバ8は、サーボ回路と、ドライバ回路と、を備える。サーボ回路は、タイミングコントローラ21からの信号に基づき、MEMSミラー95の動作を制御する。ドライバ回路は、サーボ回路が出力するMEMSミラー95の制御信号を所定レベルに増幅して出力する。 The MEMS driver 8 controls the MEMS mirror 95 based on a signal output by the timing controller 21. The MEMS driver 8 includes a servo circuit and a driver circuit. The servo circuit controls the operation of the MEMS mirror 95 based on a signal from the timing controller 21. The driver circuit amplifies the control signal for the MEMS mirror 95 output by the servo circuit to a predetermined level and outputs it.
レーザ光源部9は、レーザドライバ7から出力される駆動信号に基づいて、レーザ光を出力する。具体的に、レーザ光源部9は、赤色レーザ素子LD1と、青色レーザ素子LD2と、緑色レーザ素子LD3と、コリメータレンズ91a~91cと、反射ミラー92a~92cと、受光部24と、を備える。レーザ光源部9は本発明の光源の一例である。 The laser light source unit 9 outputs laser light based on a drive signal output from the laser driver 7. Specifically, the laser light source unit 9 includes a red laser element LD1, a blue laser element LD2, a green laser element LD3, collimator lenses 91a-91c, reflecting mirrors 92a-92c, and a light receiving unit 24. The laser light source unit 9 is an example of a light source of the present invention.
赤色レーザ素子LD1は赤色のレーザ光(「赤色レーザ光Lr」とも呼ぶ。)を出力し、青色レーザ素子LD2は青色のレーザ光(「青色レーザ光Lb」とも呼ぶ。)を出力し、緑色レーザ素子LD3は緑色のレーザ光(「緑色レーザ光Lg」とも呼ぶ。)を出力する。コリメータレンズ91a~91cは、それぞれ、赤色、青色および緑色のレーザ光Lr、Lb、Lgを平行光にして、反射ミラー92a~92cに射出する。反射ミラー92bは、青色レーザ光Lbを反射する。反射ミラー92cは、青色レーザ光Lbを透過させ、緑色レーザ光Lgを反射する。反射ミラー92aは、赤色レーザ光Lrの一部を反射し、残りの部分を透過させる。また、反射ミラー92aは、青色および緑色のレーザ光Lb、Lgの一部を透過し、残りの部分を反射する。こうして反射ミラー92aを透過した赤色レーザ光Lrおよび反射ミラー92aで反射された青色および緑色のレーザ光Lb、Lgは、MEMSミラー95に入射する。また、赤色レーザ光Lr、青色レーザ光Lbおよび緑色レーザ光Lbの一部は、受光部24に照射される。 The red laser element LD1 outputs red laser light (also called "red laser light Lr"), the blue laser element LD2 outputs blue laser light (also called "blue laser light Lb"), and the green laser element LD3 outputs green laser light (also called "green laser light Lg"). The collimator lenses 91a-91c collimate the red, blue, and green laser light Lr, Lb, and Lg, respectively, and emit them to the reflecting mirrors 92a-92c. The reflecting mirror 92b reflects the blue laser light Lb. The reflecting mirror 92c transmits the blue laser light Lb and reflects the green laser light Lg. The reflecting mirror 92a reflects a portion of the red laser light Lr and transmits the remaining portion. The reflecting mirror 92a also transmits a portion of the blue and green laser light Lb and Lg and reflects the remaining portion. In this way, the red laser light Lr that has passed through the reflection mirror 92a and the blue and green laser lights Lb, Lg that have been reflected by the reflection mirror 92a are incident on the MEMS mirror 95. In addition, a portion of the red laser light Lr, blue laser light Lb, and green laser light Lb is irradiated onto the light receiving unit 24.
レーザ光源部9からレーザ光が射出される位置には、マイクロレンズアレイ13と、フィールドレンズ14とが設けられている。MEMSミラー95は、反射ミラー92aから入射したレーザ光をEPE(Exit Pupil Expander)の一例であるマイクロレンズアレイ13に向けて反射する。MEMSミラー95は、基本的には、画像信号入力部2に入力された画像(以下、「入力画像」と呼ぶ。)を表示するために、MEMSドライバ8の制御によりマイクロレンズアレイ13上を走査するように動作し、その際の走査位置情報(例えばミラーの角度などの情報)を走査位置情報Scとしてタイミングコントローラ21へ出力する。MEMSミラー95は本発明の走査部の一例である。 At the position where the laser light is emitted from the laser light source unit 9, a microlens array 13 and a field lens 14 are provided. The MEMS mirror 95 reflects the laser light incident from the reflection mirror 92a toward the microlens array 13, which is an example of an EPE (Exit Pupil Expander). The MEMS mirror 95 basically operates to scan the microlens array 13 under the control of the MEMS driver 8 in order to display an image (hereinafter referred to as an "input image") input to the image signal input unit 2, and outputs scanning position information at that time (such as information on the mirror angle) to the timing controller 21 as scanning position information Sc. The MEMS mirror 95 is an example of a scanning unit of the present invention.
マイクロレンズアレイ13には、複数のマイクロレンズが配列されており、MEMSミラー95で反射されたレーザ光が入射する。フィールドレンズ14は、マイクロレンズアレイ13の放射面に形成された画像を拡大し、図示しない投影面に投影する。例えば、投影装置42がヘッドアップディスプレイの光源として用いられる場合、フィールドレンズ14はコンバイナ等に表示像を構成する光を射出する。 The microlens array 13 has multiple microlenses arranged therein, and laser light reflected by the MEMS mirror 95 is incident on it. The field lens 14 enlarges the image formed on the emission surface of the microlens array 13 and projects it onto a projection surface (not shown). For example, when the projection device 42 is used as a light source for a head-up display, the field lens 14 emits light that constitutes a display image to a combiner or the like.
受光部24は、フォトディテクタにより構成され、赤色レーザ光Lr、青色レーザ光Lbおよび緑色レーザ光Lbの合成光を受光して、その合成光の強度に対応する電圧を示す信号SdをMCU22に出力する。MCU22は、受光部24から出力される電圧値に基づいて、レーザドライバ7による各レーザ光源LD1~LD3の発光および停止を制御する。 The light receiving unit 24 is composed of a photodetector, receives the combined light of the red laser light Lr, blue laser light Lb, and green laser light Lb, and outputs a signal Sd indicating a voltage corresponding to the intensity of the combined light to the MCU 22. The MCU 22 controls the laser driver 7 to start and stop the emission of each of the laser light sources LD1 to LD3 based on the voltage value output from the light receiving unit 24.
(MEMSミラー)
次に、MEMSミラー95の構成について説明する。図3は、MEMSミラー95の上面図である。図3に示すように、MEMSミラー95は、主に、固定枠31と、フレーム部32と、ミラー部33と、磁石34A~34Dと、X軸トーションバー35A、35Bと、Y軸トーションバー36A、36Bと、ピエゾセンサ37V、37Hとを有する。
(MEMS mirror)
Next, a description will be given of the configuration of the MEMS mirror 95. Fig. 3 is a top view of the MEMS mirror 95. As shown in Fig. 3, the MEMS mirror 95 mainly has a fixed frame 31, a frame portion 32, a mirror portion 33, magnets 34A to 34D, X-axis torsion bars 35A and 35B, Y-axis torsion bars 36A and 36B, and piezoelectric sensors 37V and 37H.
固定枠31は、フレーム部32を支持するための構造体であり、金属材料またはシリコンなどの半導体材料によって形成される。固定枠31は、内部に空隙を備える枠形状を有している。フレーム部32は、内部に空隙を備える枠形状を有している。フレーム部32は、X軸トーションバー35A、35Bを介し固定枠31に接続されており、固定枠31に対してX軸トーションバー35A、35Bを回転軸として揺動(回動)自在となっている。 The fixed frame 31 is a structure for supporting the frame portion 32, and is formed from a metal material or a semiconductor material such as silicon. The fixed frame 31 has a frame shape with an internal gap. The frame portion 32 has a frame shape with an internal gap. The frame portion 32 is connected to the fixed frame 31 via the X-axis torsion bars 35A and 35B, and can freely swing (rotate) relative to the fixed frame 31 with the X-axis torsion bars 35A and 35B as the rotation axis.
固定枠31からX軸トーションバー35A、35Bを経由して延びる配線パターンは、フレーム部32の枠形状に沿って、フレーム部32の表面上にコイル38を形成している。ミラー部33は、入射してくる光を反射する反射膜が表面に形成された円盤形状の部材であり、Y軸トーションバー36A、36Bを介してフレーム部32に接続されている。そして、ミラー部33は、フレーム部32に対してY軸トーションバー36A、36Bを回転軸として揺動自在となっている。磁石34A~34Dは、フレーム部32の周辺に配置され、フレーム部32に形成されるコイル38が存在する領域に、水平方向(以下、「H方向」または「主走査方向」という。)および垂直方向(以下、「V方向」または「副走査方向」ともいう。)の磁界を発生させる。 The wiring pattern extending from the fixed frame 31 via the X-axis torsion bars 35A and 35B forms a coil 38 on the surface of the frame part 32 along the frame shape of the frame part 32. The mirror part 33 is a disk-shaped member with a reflective film formed on its surface that reflects incident light, and is connected to the frame part 32 via the Y-axis torsion bars 36A and 36B. The mirror part 33 can freely swing with respect to the frame part 32, with the Y-axis torsion bars 36A and 36B as the axis of rotation. The magnets 34A to 34D are arranged around the frame part 32, and generate a magnetic field in the horizontal direction (hereinafter referred to as the "H direction" or "main scanning direction") and the vertical direction (hereinafter referred to as the "V direction" or "sub-scanning direction") in the area where the coil 38 formed on the frame part 32 exists.
X軸トーションバー35B付近には、歪センサであるピエゾセンサ37Vが設けられ、Y軸トーションバー36B付近には、歪センサであるピエゾセンサ37Hが設けられている。ピエゾセンサ37Vは、ミラー部33のV方向の位置を検出するV方向センサであり、X軸トーションバー35Bのねじれ量とねじれ方向に対応する電圧を出力する。ピエゾセンサ37Hは、ミラー部33のH方向の位置を検出するH方向センサであり、Y軸トーションバー36Bのねじれ量とねじれ方向に対応する電圧を出力する。ピエゾセンサ37H、37Vは本発明の検出部の一例である。 A piezoelectric sensor 37V, which is a strain sensor, is provided near the X-axis torsion bar 35B, and a piezoelectric sensor 37H, which is a strain sensor, is provided near the Y-axis torsion bar 36B. The piezoelectric sensor 37V is a V-direction sensor that detects the position of the mirror section 33 in the V direction, and outputs a voltage corresponding to the amount of twist and the direction of twist of the X-axis torsion bar 35B. The piezoelectric sensor 37H is an H-direction sensor that detects the position of the mirror section 33 in the H direction, and outputs a voltage corresponding to the amount of twist and the direction of twist of the Y-axis torsion bar 36B. The piezoelectric sensors 37H and 37V are examples of the detection section of the present invention.
上記のように、MEMSミラー95では、ミラー部33がX軸トーションバー35A、35BおよびY軸トーションバー36A、36Bにより回転可能に固定枠31に接続されている。ミラー部33は、MEMSドライバ8から入力された駆動信号がコイル38内を流れることで生じる電磁気力の作用により回動する。MEMSミラー95は、H方向にはMEMSミラー95の共振周波数により駆動され、V方向には共振周波数よりも低い周波数で駆動される。駆動信号が入力されない場合、ミラー部33はX軸トーションバー35およびY軸トーションバー36が平衡状態となる位置、即ちニュートラル位置で静止する。ピエゾセンサ37V、37Hの出力に基づいて、MEMSミラー95の回転変位が算出され、レーザ光の走査位置を示す走査位置情報Scとしてタイミングコントローラ21へ出力される。 As described above, in the MEMS mirror 95, the mirror section 33 is rotatably connected to the fixed frame 31 by the X-axis torsion bars 35A, 35B and the Y-axis torsion bars 36A, 36B. The mirror section 33 rotates due to the action of electromagnetic force generated by the driving signal input from the MEMS driver 8 flowing through the coil 38. The MEMS mirror 95 is driven in the H direction by the resonant frequency of the MEMS mirror 95, and in the V direction by a frequency lower than the resonant frequency. When no driving signal is input, the mirror section 33 stops at a position where the X-axis torsion bar 35 and the Y-axis torsion bar 36 are in a balanced state, that is, at a neutral position. Based on the output of the piezoelectric sensors 37V, 37H, the rotational displacement of the MEMS mirror 95 is calculated and output to the timing controller 21 as scanning position information Sc indicating the scanning position of the laser light.
[表示タイミングの補正]
(位相ずれ)
MEMSミラー95を使用する場合、MEMSミラー95の回転する向きによって、ピエゾセンサ37Hの応答の遅れまたは進み、センサ信号検知回路の応答の遅れまたは進みなどが発生する。即ち、光ビームをH方向における右方向への走査するときと左方向へ走査するときで、入力画像を描画する光ビームを射出するタイミングにずれが生じる。この現象を「位相ずれ」と呼ぶ。このため、表示画像において、細い1本の縦線が2重の縦線に見えてしまうことが起きる。例えば、図4(A)に示すような複数の縦線を表示した場合、図4(B)に示すように各縦線が2重線に見えてしまう。この問題を解決するため、投影装置42は、MEMSミラー95の左右方向への駆動時における画像の表示タイミングを変更し、1本の縦線に見えるように位相調整を行う。
[Display Timing Correction]
(Phase Shift)
When the MEMS mirror 95 is used, the response of the piezo sensor 37H may be delayed or advanced, and the response of the sensor signal detection circuit may be delayed or advanced depending on the direction of rotation of the MEMS mirror 95. That is, when the light beam is scanned to the right in the H direction and when it is scanned to the left, a difference occurs in the timing of emitting the light beam that draws the input image. This phenomenon is called a "phase shift." As a result, a thin vertical line may appear as a double vertical line in the displayed image. For example, when multiple vertical lines as shown in FIG. 4A are displayed, each vertical line appears as a double line as shown in FIG. 4B. To solve this problem, the projection device 42 changes the display timing of the image when the MEMS mirror 95 is driven to the left and right, and performs phase adjustment so that the image appears as a single vertical line.
しかし、上記のような2軸のMEMSミラー95において、瞬間的にレーザ光をV方向に大きく走査する場合、コイル38には瞬間的に大きな駆動電流が流れ、コイル38は瞬間的に発熱する。MEMSミラー95の温度変化により、ピエゾセンサ37H、37Vの応答特性の変化および直線性の変動、ピエゾセンサ37Hの水平方向出力信号への垂直駆動信号のクロストーク、駆動磁界の変化などが生じる。このため、レーザ光をV方向に大きく走査するときには、V方向にMEMSミラー95を駆動していないとき(即ち駆動電流がゼロのとき)と比較して、ピエゾセンサ37Hの出力信号の波形が変化してしまい、MEMSミラー95のH方向の走査位置の検出誤差が大きくなる。 However, when the laser light is instantaneously scanned widely in the V direction in the two-axis MEMS mirror 95 as described above, a large drive current instantaneously flows through the coil 38, causing the coil 38 to heat up instantaneously. The temperature change of the MEMS mirror 95 causes changes in the response characteristics and linearity of the piezoelectric sensors 37H and 37V, crosstalk of the vertical drive signal to the horizontal output signal of the piezoelectric sensor 37H, and changes in the drive magnetic field. For this reason, when the laser light is scanned widely in the V direction, the waveform of the output signal of the piezoelectric sensor 37H changes compared to when the MEMS mirror 95 is not driven in the V direction (i.e. when the drive current is zero), and the detection error of the scanning position in the H direction of the MEMS mirror 95 increases.
誤差を含んだH方向走査位置に同期して、入力画像を表示するレーザ光(以下、「画像光」と呼ぶ。)を射出させた場合、表示しようとする画像の画素の位置と、MEMSミラー95により走査されて実際にその画素が描画される位置との関係にも誤差を生じる。このため、描画された画像にはH方向への位置ずれが生じ、その位置ずれ量は、MEMSミラー95のV方向の走査位置に依存し、かつ、H方向のラインごとに異なる。さらに、H方向に画像光を往復走査する場合、H方向における往路走査(右方向走査)時と復路走査(左方向走査)時で、画像の位置ずれ方向は一致せず、H方向の隣接するラインにおいて相反する方向に位置ずれすることもある。このため、図4(C)に例示するように、1本の縦線が湾曲した2重線に見えてしまうという問題が発生する場合がある。 When laser light (hereinafter referred to as "image light") that displays an input image is emitted in synchronization with the H-direction scanning position that includes an error, an error also occurs in the relationship between the position of the pixel of the image to be displayed and the position where the pixel is actually drawn by scanning with the MEMS mirror 95. As a result, a positional shift in the H direction occurs in the drawn image, and the amount of the positional shift depends on the V-direction scanning position of the MEMS mirror 95 and differs for each line in the H direction. Furthermore, when the image light is scanned back and forth in the H direction, the image positional shift direction does not match during the forward scan (scanning to the right) and the return scan (scanning to the left) in the H direction, and the image may be shifted in opposite directions on adjacent lines in the H direction. As a result, a problem may occur in which a single vertical line appears as a curved double line, as shown in FIG. 4(C).
図5は、1本の縦線が湾曲した2重線(以下、「湾曲2重線」と呼ぶ。)に見えてしまう例を示す。なお、矢印「R」は右方向走査により描画された縦線を示し、矢印「L」は左方向走査により描画された縦線を示す。図5(A)の例では、右方向走査時の位相と左方向査時の位相が、V方向の上部と下部では逆方向にずれており、かつ、V方向の中央では一致している。図5(B)の例では、右方向走査時の位相と左方向走査時の位相が、V方向の上部と下部では逆方向にずれており、かつ、V方向の上部では一致している。図5(C)の例は、右方向走査時の位相と左方向走査時の位相が、V方向の上部と下部で逆方向にずれており、かつ、V方向の下部では一致している。 Figure 5 shows an example where a single vertical line appears as a curved double line (hereafter referred to as a "curved double line"). Note that the arrow "R" indicates a vertical line drawn by scanning to the right, and the arrow "L" indicates a vertical line drawn by scanning to the left. In the example of Figure 5 (A), the phase during right scanning and the phase during left scanning are shifted in opposite directions at the top and bottom of the V direction, but are consistent at the center of the V direction. In the example of Figure 5 (B), the phase during right scanning and the phase during left scanning are shifted in opposite directions at the top and bottom of the V direction, but are consistent at the top of the V direction. In the example of Figure 5 (C), the phase during right scanning and the phase during left scanning are shifted in opposite directions at the top and bottom of the V direction, but are consistent at the bottom of the V direction.
図5(D)の例では、右方向走査時の位相と左方向走査時の位相が、V方向の上部と下部では同方向にずれており、かつ、V方向の中央では一致している。図5(E)の例では、右方向走査時の位相と左方向走査時の位相が、V方向の上部と下部では同方向にずれており、かつ、V方向の上部では一致している。図5(F)の例では、右方向走査時の位相と左方向走査時の位相が、V方向の上部と下部では同方向にずれており、かつ、V方向の下部では一致している。 In the example of Figure 5 (D), the phase during rightward scanning and the phase during leftward scanning are shifted in the same direction at the top and bottom of the V direction, but are consistent at the center of the V direction. In the example of Figure 5 (E), the phase during rightward scanning and the phase during leftward scanning are shifted in the same direction at the top and bottom of the V direction, but are consistent at the top of the V direction. In the example of Figure 5 (F), the phase during rightward scanning and the phase during leftward scanning are shifted in the same direction at the top and bottom of the V direction, but are consistent at the bottom of the V direction.
このように、1本の縦線が湾曲2重線に見えてしまうことを防止するため、本実施例では、MEMSミラー95のH方向への駆動時に、MEMSミラー95のV方向における走査位置(走査方向)に応じて、画像光の出力開始タイミングを補正する。 In this way, to prevent a single vertical line from appearing as a curved double line, in this embodiment, when the MEMS mirror 95 is driven in the H direction, the output start timing of the image light is corrected according to the scanning position (scanning direction) of the MEMS mirror 95 in the V direction.
(位相調整)
図6は、図2に示す映像処理部3の内部構成を示すブロック図である。映像処理部3は、ビデオ信号処理部51と、LD制御部52と、位相調整部53とを備える。ビデオ信号処理部51は、画像信号入力部2から入力された画像信号の動作タイミングに応じて、MEMS制御信号S11をタイミングコントローラ21に送るとともに、LD制御信号S12をLD制御部52へ送る。LD制御部52は、ビデオ信号処理部51から供給されたLD制御信号S12に基づいて、実際に各レーザ素子LD1~LD3を駆動するための駆動信号S13をレーザドライバ7へ送る。
(Phase adjustment)
Fig. 6 is a block diagram showing the internal configuration of the image processing unit 3 shown in Fig. 2. The image processing unit 3 includes a video signal processing unit 51, an LD control unit 52, and a phase adjustment unit 53. The video signal processing unit 51 sends a MEMS control signal S11 to the timing controller 21 and sends an LD control signal S12 to the LD control unit 52 in accordance with the operation timing of the image signal input from the image signal input unit 2. The LD control unit 52 sends a drive signal S13 to the laser driver 7 for actually driving each of the laser elements LD1 to LD3 based on the LD control signal S12 supplied from the video signal processing unit 51.
位相調整部53は、MEMSミラー95による光ビームのH方向への走査時に、入力画像に対応する画像光の出力タイミングを補正する。基本的に、位相調整部53は、MEMSミラー95のH方向への駆動開始タイミングを基準として、LD制御部52がレーザドライバ7へ供給する駆動信号S13のタイミングを制御し、画像光の出力開始タイミングを調整する。具体的には、位相調整部53は、MEMSミラー95の水平右方向への駆動開始時刻TR0から、画像光の出力を開始するまでの遅延時間TRを算出する。同様に、位相調整部53は、MEMSミラー95の水平左方向への駆動開始時刻TL0から、画像光の出力を開始するまでの遅延時間TLを算出する。ここで、位相調整部53は、図5に例示した湾曲2重線が1本の縦線に見えるように遅延時間TRおよびTLを決定する。 The phase adjustment unit 53 corrects the output timing of the image light corresponding to the input image when the MEMS mirror 95 scans the light beam in the H direction. Basically, the phase adjustment unit 53 controls the timing of the drive signal S13 supplied by the LD control unit 52 to the laser driver 7 based on the drive start timing of the MEMS mirror 95 in the H direction, and adjusts the output start timing of the image light. Specifically, the phase adjustment unit 53 calculates a delay time TR from the drive start time TR0 of the MEMS mirror 95 in the horizontal right direction to the start of output of the image light. Similarly, the phase adjustment unit 53 calculates a delay time TL from the drive start time TL0 of the MEMS mirror 95 in the horizontal left direction to the start of output of the image light. Here, the phase adjustment unit 53 determines the delay times TR and TL so that the curved double line illustrated in FIG. 5 appears as a single vertical line.
詳しくは、位相調整部53は、タイミングコントローラ21から信号S14として供給されるMEMSミラー95のV方向の走査位置、H方向における走査向き(水平右方向/水平左方向)およびH方向の走査位置を用いて、右方向走査時の位相と左方向走査時の位相ずれが打消し合うように遅延時間TR、TLを決定し、信号S15としてLD制御部52に供給する。LD制御部52は、遅延時間TRに基づき、MEMSミラー95の水平右方向への駆動開始時刻TR0から遅延時間TR後にレーザドライバ7が画像光の出力を開始するように、駆動信号S13をレーザドライバ7に出力する。同様に、LD制御部52は、遅延時間TLに基づき、MEMSミラー95の水平右方向への駆動開始時刻TL0から遅延時間TL後にレーザドライバ7が画像光の出力を開始するように、駆動信号S13をレーザドライバ7に出力する。これにより、レーザドライバ7は、入力画像における縦線が正しく1本の縦線に見えるように入力画像を描画することができる。位相調整部53は本発明のタイミング補正部の一例である。 In detail, the phase adjustment unit 53 determines delay times T R and T L so that the phase shift during rightward scanning and the phase shift during leftward scanning are cancelled out using the scanning position in the V direction of the MEMS mirror 95, the scanning direction in the H direction (horizontal rightward/horizontal leftward), and the scanning position in the H direction, which are supplied as a signal S14 from the timing controller 21, and supplies the delay times T R and T L to the LD control unit 52 as a signal S15. The LD control unit 52 outputs a drive signal S13 to the laser driver 7 based on the delay time T R so that the laser driver 7 starts outputting image light after the delay time T R0 from the start time T L0 of driving the MEMS mirror 95 in the horizontal rightward direction. Similarly, the LD control unit 52 outputs a drive signal S13 to the laser driver 7 based on the delay time T L so that the laser driver 7 starts outputting image light after the delay time T L0 from the start time T L0 of driving the MEMS mirror 95 in the horizontal rightward direction. This allows the laser driver 7 to draw the input image so that the vertical lines in the input image appear as a single correct vertical line. The phase adjustment unit 53 is an example of the timing correction unit of the present invention.
(遅延時間の算出方法)
次に、遅延時間TRおよびTLの算出方法について説明する。図7は、MEMSミラー95のV方向の駆動波形を示す。横軸は時間tを示し、縦軸はMEMSミラー95のV方向における振幅(変位)vを示す。なお、縦軸は、表示画面の中央をゼロとし、画面中央を基準としたV方向の最大振幅をVmaxとする。図7の駆動波形において、点P1、P3は光ビームの走査領域のV方向における上端、即ち、画像の上端に対応し、点P2は光ビームの走査領域のV方向における下端、即ち、画像の下端に対応する。MEMSミラー95は、時間TvppでV方向の上端P1から下端P2までを光ビームを走査し、次に、時間TretでV方向の下端P2からV方向の上端P3に光ビームを戻す。MEMSミラー95は、この動作を繰り返す。
(How to calculate delay time)
Next, a method of calculating the delay times T R and T L will be described. FIG. 7 shows a driving waveform of the MEMS mirror 95 in the V direction. The horizontal axis indicates time t, and the vertical axis indicates the amplitude (displacement) v of the MEMS mirror 95 in the V direction. The vertical axis is set to zero at the center of the display screen, and the maximum amplitude in the V direction based on the center of the screen is set to V max . In the driving waveform of FIG. 7, points P1 and P3 correspond to the upper end in the V direction of the scanning area of the light beam, that is, the upper end of the image, and point P2 corresponds to the lower end in the V direction of the scanning area of the light beam, that is, the lower end of the image. The MEMS mirror 95 scans the light beam from the upper end P1 to the lower end P2 in the V direction at time T vpp , and then returns the light beam from the lower end P2 in the V direction to the upper end P3 in the V direction at time T ret . The MEMS mirror 95 repeats this operation.
この場合、右方向走査時の遅延時間TRは以下の式で算出される。
TR=kR×Vmax×sin(ωt+θ)+A+kR1×v+kR2×v2 (1)
In this case, the delay time TR during rightward scanning is calculated by the following formula:
TR = kR × Vmax × sin(ωt + θ) + A + kR1 × v + kR2 × v2 (1)
式(1)の第1項は最大振幅Vmaxを用いて三角関数(sin波)により位相ずれのタイミング補正量を算出するための項であり、「kR」はそのための重み値である。図5に例示するように、位相ずれは湾曲形状を有するため、第1項はsin波を用いた補正量としている。ここで、「ω」は以下の式で与えられ、「θ」は画面中央に対する位置ずれ補正値である。
ω=2π/(2×Tvpp)=π/Tvpp (2)
The first term of equation (1) is a term for calculating the amount of phase shift timing correction by a trigonometric function (sine wave) using the maximum amplitude Vmax , and " kR " is a weighting value for this purpose. As shown in Fig. 5, the phase shift has a curved shape, so the first term is a correction amount using a sine wave. Here, "ω" is given by the following equation, and "θ" is a position shift correction value relative to the center of the screen.
ω=2π/(2×T vpp )=π/T vpp (2)
式(1)の第2項の「A」は、V方向の振幅vに依存しない定数の補正量である。式(1)の第3項は、V方向の振幅vに依存する補正量であり、具体的にはvに比例する補正量に所定の重み値kR1を乗算した値と、vの2乗に比例する補正量に所定の重み値kR2を乗算した値との和である。なお、さらにvの3乗、4乗に比例する補正量を加えてもよい。 The "A" in the second term of formula (1) is a constant correction amount that does not depend on the amplitude v in the V direction. The third term of formula (1) is a correction amount that depends on the amplitude v in the V direction, and specifically, is the sum of a value obtained by multiplying a correction amount proportional to v by a predetermined weight value kR1 and a value obtained by multiplying a correction amount proportional to the square of v by a predetermined weight value kR2 . Note that correction amounts proportional to the cube or fourth power of v may also be added.
同様に、左方向走査時の遅延時間TLは以下の式で算出される。
TL=kL×Vmax×sin(ωt+θ)+B+kL1×v+kL2×v2 (3)
Similarly, the delay time T L during leftward scanning is calculated by the following formula:
T L = k L × V max × sin(ωt + θ) + B + k L1 × v + k L2 × v 2 (3)
ここで、第1項は最大振幅Vmaxを用いて三角関数により位相ずれのタイミング補正量を算出するための項であり、「kL」はそのための重み値である。「ω」は、先の式(2)で与えられる。 Here, the first term is a term for calculating the amount of phase shift timing correction by a trigonometric function using the maximum amplitude Vmax , and " kL " is a weighting value for this purpose. "ω" is given by the above equation (2).
式(3)の第2項の「B」は、V方向の振幅vに依存しない定数の補正量である。式(3)の第3項は、V方向の振幅vに依存する補正量であり、具体的にはvに比例する補正量に所定の重み値kL1を乗算した値と、vの2乗に比例する補正量に所定の重み値kL2を乗算した値との和である。なお、さらにvの3乗、4乗に比例する補正量を加えてもよい。 The second term "B" in formula (3) is a constant correction amount that does not depend on the amplitude v in the V direction. The third term in formula (3) is a correction amount that depends on the amplitude v in the V direction, and specifically, is the sum of a value obtained by multiplying a correction amount proportional to v by a predetermined weight value kL1 and a value obtained by multiplying a correction amount proportional to the square of v by a predetermined weight value kL2 . It is to be noted that a correction amount proportional to the cube or fourth power of v may be further added.
なお、上記のように、H方向における右方向走査時と左方向走査時で遅延時間を個別に算出しているのは、右方向走査時と左方向走査時で、位相のずれ量が異なる場合があることを考慮したためである。よって、右方向走査時と左方向走査時の位相のずれ量がほぼ同じである場合には、両走査方向について、式(1)または(3)により同一の補正量を算出すればよい。 As described above, the delay time is calculated separately for rightward and leftward scanning in the H direction because it is considered that the phase shift amount may differ between rightward and leftward scanning. Therefore, if the phase shift amount between rightward and leftward scanning is approximately the same, the same correction amount can be calculated for both scanning directions using formula (1) or (3).
また、上記の例では、位相調整部53は、MEMSミラー95の水平右方向への駆動開始時刻を基準として画像光の水平右方向への走査を開始するタイミングを調整し、MEMSミラー95の水平左方向への駆動開始時刻を基準として画像光の水平左方向への走査を開始するタイミングを調整している。その代わりに、位相調整部53は、MEMSミラー95の水平右方向への駆動開始時刻を基準として画像光の水平左方向への走査を開始するタイミングを調整してもよい。即ち、画像光の右方向への走査開始タイミングと左方向への走査開始タイミングの両方を、MEMSミラー95の右方向への駆動開始時刻を基準として調整することとしてもよい。 In the above example, the phase adjustment unit 53 adjusts the timing at which the image light starts scanning in the horizontal right direction based on the time at which the MEMS mirror 95 starts driving horizontally to the right, and adjusts the timing at which the image light starts scanning in the horizontal left direction based on the time at which the MEMS mirror 95 starts driving horizontally to the left. Alternatively, the phase adjustment unit 53 may adjust the timing at which the image light starts scanning in the horizontal left direction based on the time at which the MEMS mirror 95 starts driving horizontally to the right. In other words, both the timing at which the image light starts scanning to the right and the timing at which the image light starts scanning to the left may be adjusted based on the time at which the MEMS mirror 95 starts driving right.
ここで、式(1)の中で使用される定数であるkR、kR1、kR2、及びA、並びに式(3)の中で使用される定数であるkL、kL1、kL2、及びBと、式(1)及び式(3)の中で共通に使用される定数θの設定方法について説明する。典型的には、これらの定数は投影装置42の製造時に設定され、ROM5に記憶させる。具体的には、縦幅が1画素で構成された縦線が複数含まれる、例えば図4(A)に示すような画像信号Siを投影装置42の製造時に画像信号入力部2に入力し、投影装置42により表示される画像を観察しながら、画像全体に亘って画像上の位相ずれが最小となるように、これらの定数を設定しROM5に記憶させる。なお、これらの定数はユーザーにより設定可能に構成されてもよい。 Here, a method for setting the constants kR , kR1 , kR2, and A used in formula (1), the constants kL , kL1 , kL2 , and B used in formula (3), and the constant θ commonly used in formula (1) and formula (3) will be described. Typically, these constants are set when the projection device 42 is manufactured and stored in the ROM 5. Specifically, an image signal Si including a plurality of vertical lines each having a vertical width of one pixel, as shown in FIG. 4A, is input to the image signal input unit 2 when the projection device 42 is manufactured, and while observing the image displayed by the projection device 42, these constants are set so that the phase shift on the image is minimized over the entire image, and are stored in the ROM 5. Note that these constants may be configured to be set by the user.
(位相調整処理)
図8は、位相調整処理のフローチャートである。この処理は、図2に示す投影装置42により実行される。なお、CPUなどのコンピュータが予め用意されたプログラムを実行することにより実現してもよい。
(Phase adjustment process)
Fig. 8 is a flowchart of the phase adjustment process. This process is executed by the projection device 42 shown in Fig. 2. Alternatively, this process may be realized by a computer such as a CPU executing a program prepared in advance.
まず、MEMSミラー95に設けられたピエゾセンサ37V、37Hは、MEMSミラー95のV方向およびH方向の駆動位置を検出する(ステップS1)。具体的には、ピエゾセンサ37Vは、MEMSミラー95のV方向における振幅vを検出し、ピエゾセンサ37Hは、MEMSミラー95のH方向における走査向き(右方向走査/左方向走査)を検出する。 First, the piezoelectric sensors 37V and 37H provided on the MEMS mirror 95 detect the drive positions of the MEMS mirror 95 in the V and H directions (step S1). Specifically, the piezoelectric sensor 37V detects the amplitude v of the MEMS mirror 95 in the V direction, and the piezoelectric sensor 37H detects the scanning direction (rightward scanning/leftward scanning) of the MEMS mirror 95 in the H direction.
次に、映像処理部3の位相調整部53は、ステップS1で検出されたV方向の振幅vおよびH方向の走査向きを用いて、ROM5に予め記憶された定数を使用した前述の式(1)、(3)により、遅延時間TRおよびTLを算出し、LD制御部52へ供給する(ステップS2)。LD制御部52は、遅延時間TRおよびTLにより位相調整した駆動信号S13をレーザドライバ7に供給し、レーザドライバ7からの画像光の出力タイミングを補正する(ステップS3)。こうして、遅延時間TRおよびTLにより、H方向における右方向走査時と左方向走査時の位相ずれがキャンセルされ、湾曲2重線が表示されることを防止できる。 Next, the phase adjustment unit 53 of the image processing unit 3 calculates delay times T R and T L by the above-mentioned formulas (1) and (3) using the amplitude v in the V direction and the scanning direction in the H direction detected in step S1, using constants previously stored in the ROM 5, and supplies the delay times to the LD control unit 52 (step S2). The LD control unit 52 supplies the driving signal S13, the phase of which has been adjusted by the delay times T R and T L , to the laser driver 7, and corrects the output timing of the image light from the laser driver 7 (step S3). In this way, the delay times T R and T L cancel the phase shift during rightward scanning and leftward scanning in the H direction, and it is possible to prevent the curved double line from being displayed.
[変形例]
(変形例1)
上記の実施例では、MEMSミラー95のV方向の駆動位置を検出するためにピエゾセンサ37Vを利用することとしたが、MEMSミラー95のV方向の駆動位置の検出方法はこれに限定されない。例えば、映像処理部3の位相調整部53は、MEMSドライバ8より出力されるMEMSミラー95のV方向の駆動波形が走査領域のV方向における上端に戻ってからの経過時間に基づいて、MEMSミラー95のV方向の駆動位置を算出することにより検出してもよい。
[Modification]
(Variation 1)
In the above embodiment, the piezo sensor 37V is used to detect the drive position in the V direction of the MEMS mirror 95, but the method of detecting the drive position in the V direction of the MEMS mirror 95 is not limited to this. For example, the phase adjustment unit 53 of the image processing unit 3 may detect the drive position in the V direction of the MEMS mirror 95 by calculating it based on the elapsed time after the V direction drive waveform of the MEMS mirror 95 output from the MEMS driver 8 returns to the upper end of the scanning area in the V direction.
(変形例2)
上記の実施例では、本発明を投影装置における画像光の走査に適用しているが、本発明の適用はこれには限られない。例えば、車両に搭載され、周辺物体を検出するレーザレーダやLiDAR(Light Detection and Ranging)など、2次元方向にレーザ光を走査する装置に本発明を適用してもよい。
(Variation 2)
In the above embodiment, the present invention is applied to scanning of image light in a projection device, but the application of the present invention is not limited to this. For example, the present invention may be applied to a device that scans laser light in a two-dimensional direction, such as a laser radar or LiDAR (Light Detection and Ranging) that is mounted on a vehicle and detects surrounding objects.
7 レーザドライバ
8 MEMSドライバ
9 レーザ光源部
21 タイミングコントローラ
22 MCU
40 ヘッドアップディスプレイ
42 投影装置
51 ビデオ信号処理部
52 LD制御部
53 位相調整部
95 MEMSミラー
7 Laser driver 8 MEMS driver 9 Laser light source unit 21 Timing controller 22 MCU
40 Head-up display 42 Projection device 51 Video signal processing unit 52 LD control unit 53 Phase adjustment unit 95 MEMS mirror
Claims (7)
反射面で前記光ビームを反射し、前記光ビームを水平方向及び垂直方向に走査する走査ミラー、並びに、前記走査ミラーを回動させる駆動部を有する走査部と、
前記水平方向における前記光ビームの走査位置、及び、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置を検出する検出部と、
前記垂直方向における前記光ビームの最大振幅Vmaxと、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置の変位と、に基づき、前記走査ミラーの水平方向への駆動開始タイミングから前記光ビームの出力開始タイミングまでの時間に相当する遅延時間を算出し、当該遅延時間を用いて前記水平方向の走査における前記光ビームの出力期間を補正する補正部と、
を備える光走査装置。 A light source that outputs a light beam;
a scanning unit including a scanning mirror that reflects the light beam on a reflecting surface and scans the light beam in horizontal and vertical directions, and a driving unit that rotates the scanning mirror;
a detection unit that detects a scanning position of the light beam in the horizontal direction and a scanning position of the light beam in the vertical direction;
a correction unit that calculates a delay time corresponding to a time from a drive start timing of the scanning mirror in a horizontal direction to a start timing of output of the light beam based on a maximum amplitude Vmax of the light beam in the vertical direction and a displacement of a scanning position of the light beam in the vertical direction, and corrects an output period of the light beam in the horizontal direction scanning using the delay time;
An optical scanning device comprising:
前記水平方向における前記光ビームの走査位置、及び、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置を検出する検出工程と、
前記垂直方向における前記光ビームの最大振幅Vmaxと、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置の変位と、に基づき、前記走査ミラーの水平方向への駆動開始タイミングから前記光ビームの出力開始タイミングまでの時間に相当する遅延時間を算出し、当該遅延時間を用いて前記水平方向の走査における前記光ビームの出力期間を補正する補正工程と、
を備える光走査方法。 An optical scanning method performed by an optical scanning device including a light source that outputs a light beam, a scanning mirror that reflects the light beam at a reflecting surface and scans the light beam in horizontal and vertical directions, and a scanning unit having a drive unit that rotates the scanning mirror, comprising:
a detection step of detecting a scanning position of the light beam in the horizontal direction and a scanning position of the light beam in the vertical direction;
a correction step of calculating a delay time corresponding to a time from a drive start timing of the scanning mirror in a horizontal direction to a start timing of output of the light beam, based on a maximum amplitude Vmax of the light beam in the vertical direction and a displacement of a scanning position of the light beam in the vertical direction, and correcting an output period of the light beam in the horizontal direction scanning using the delay time;
An optical scanning method comprising:
前記水平方向における前記光ビームの走査位置、及び、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置を検出する検出工程と、
前記垂直方向における前記光ビームの最大振幅Vmaxと、前記垂直方向における前記光ビームの走査位置の変位と、に基づき、前記走査ミラーの水平方向への駆動開始タイミングから前記光ビームの出力開始タイミングまでの時間に相当する遅延時間を算出し、当該遅延時間を用いて前記水平方向の走査における前記光ビームの出力期間を補正する補正工程と、
を前記コンピュータに実行させるプログラム。 A program executed by an optical scanning device including: a light source that outputs a light beam; a scanning mirror that reflects the light beam on a reflecting surface and scans the light beam in horizontal and vertical directions; a scanning unit having a drive unit that rotates the scanning mirror; and a computer,
a detection step of detecting a scanning position of the light beam in the horizontal direction and a scanning position of the light beam in the vertical direction;
a correction step of calculating a delay time corresponding to a time from a drive start timing of the scanning mirror in a horizontal direction to a start timing of output of the light beam based on a maximum amplitude Vmax of the light beam in the vertical direction and a displacement of a scanning position of the light beam in the vertical direction, and correcting an output period of the light beam in the horizontal direction scanning using the delay time;
A program for causing the computer to execute the above.
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