KR100814722B1 - 광 주사장치 및 그것을 사용한 화상 표시장치 - Google Patents

광 주사장치 및 그것을 사용한 화상 표시장치 Download PDF

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Abstract

광원 유닛과, 그 광원 유닛으로부터의 광을 제1 방향 및 그것과 직교하는 제2 방향으로 주사하는 주사 유닛과, 주사된 광을 피주사면 위로 인도하는 광학 유닛을 갖는 광 주사 장치를 개시한다. 주사 유닛은 제1 방향에 있어서 정현파 구동하는 편향 면을 갖는다. 광학 유닛은 제1 방향의 임의의 단면이 중심에서 주변부로 더 강한 광을 발산시키도록 단면 형상을 나타내는 함수의 2차 미분값이 변화하는 형상을 갖는 광학 면을 갖는다. 광학 면은 제1 방향의 각 단면의 형상을 제2 방향으로 정렬시킴으로써 구성된다.
광주사장치, 화상표시장치, 2차원

Description

광 주사장치 및 그것을 사용한 화상 표시장치{OPTICAL SCANNING DEVICE AND IMAGE DISPLAY APPARATUS USING THE SAME}
도 1a 및 도 1b는 제1 실시예에 있어서의 광 주사장치의 사시도이고,
도 2a 및 도 2b는 제1 실시예에 있어서의 광 주사장치의 단면도이며,
도 3은 MEMS 디바이스의 주요부 개요도이고,
도 4a 및 도 4b는 제1 실시예에 있어서의 2차원 주사 광학계의 주요부 개요도이며,
도 5는 제1 실시예에 있어서의 제1 주사 미러의 형상의 주요부 개요도이고,
도 6은 제1 실시예에 있어서의 제2 주사 미러의 형상의 주요부 개요도이며,
도 7a 및 도 7b는 제1 실시예에 있어서의 주사 렌즈의 입사면 및 출사면의 주요부 개요도이고,
도 8a 및 도 8b는 제1 실시예에 있어서의 주사 렌즈의 입사면 및 출사면의 2차 미분값의 주요부 개요도이며,
도 9는 제1 실시예에 있어서의 주사 속도 비의 주요부 개요도이고,
도 10은 제1 실시예에 있어서의 주사 속도 비의 주요부 개요도이며,
도 11은 제1 실시예에 있어서의 주사 화상(격자)의 주요부 개요도이고,
도 12는 비교 예 1에 있어서의 주사 화상(격자)의 주요부 개요도이며,
도 13은 비교 예 1에 있어서의 주사 속도 비의 주요부 개요도이고,
도 14는 비교 예 2에 있어서의 주사 화상(격자)의 주요부 개요도이며,
도 15는 편향면 내의 입사의 입사 방식을 설명하는 도면이고,
도 16은 경사 입사에 의한 주사선의 만곡을 설명하는 도면이고,
도 17은 제1 실시예에 있어서의 제1 주사 미러의 2차 미분값의 주요부 개요도이며,
도 18은 제1 실시예에 있어서의 제2 주사 미러의 2차 미분값의 주요부 개요도이고,
도 19a 및 도 19b는 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡의 산출 방법의 설명도이며,
도 20은 제1 실시예에 있어서의 주사형 화상 표시장치의 주요부 개요도이고,
도 21은 제1 실시예에 있어서의 주사형 화상 표시장치의 주요부 개요도이며,
도 22는 제1 실시예에 있어서의 주사형 화상 표시장치의 주요부 개요도이고,
도 23a 및 도 23b는 제2 실시예에 있어서의 2차원 주사장치의 단면도이며,
도 24는 제2 실시예에 있어서의 광원 유닛의 주요부 개요도이고,
도 25는 제2 실시예에 있어서의 제1 주사 미러의 형상의 주요부 개요도이며,
도 26은 제2 실시예에 있어서의 제2 주사 미러의 형상의 주요부 개요도이고,
도 27은 제2 실시예에 있어서의 제3 주사 미러의 형상의 주요부 개요도이며,
도 28은 제2 실시예에 있어서의 제1 주사 미러의 2차 미분값의 개요도이고,
도 29는 제2 실시예에 있어서의 제2 주사 미러의 2차 미분값의 주요부 개요도이며,
도 30은 제2 실시예에 있어서의 제3 주사 미러의 2차 미분값의 주요부 개요도이고,
도 31은 제2 실시예에 있어서의 주사 속도 비의 주요부 개요도이며,
도 32는 제2 실시예에 있어서의 주사 속도 비의 주요부 개요도이고,
도 33은 제2 실시예에 있어서의 주사 화상(격자)의 주요부 개요도이며,
도 34a 및 도 34b는 제3 실시예에 있어서의 2차원 주사장치의 단면도이고,
도 35는 제3 실시예에 있어서의 2차원 편향기의 주요부 개요도이며,
도 36a 및 도 36b는 제3 실시예에 있어서의 2차원 주사 광학계의 주요부 개요도이고,
도 37은 제3 실시예에 있어서의 제1 주사 미러의 형상의 주요부 개요도이며,
도 38은 제3 실시예에 있어서의 제2 주사 미러의 형상의 주요부 개요도이고,
도 39a 및 도 39b는 제3 실시예에 있어서의 주사 렌즈의 형상의 주요부 개요도,
도 40은 제3 실시예에 있어서의 제1 주사 미러의 2차 미분값의 주요부 개요도이며,
도 41은 제3 실시예에 있어서의 제2 주사 미러의 2차 미분값의 주요부 개요도이고,
도 42a 및 도 42b는 제3 실시예에 있어서의 주사 미러의 2차 미분값의 주요 부 개요도이며,
도 43은 제3 실시예에 있어서의 주사 속도 비의 주요부 개요도이고,
도 44는 제3 실시예에 있어서의 주사 속도 비의 주요부 개요도이며,
도 45는 제3 실시예에 있어서의 주사 화상(격자)의 주요부 개요도이고,
도 46은 제3 실시예에 있어서의 주사형 화상 표시장치의 주요부 개요도이다.
본 발명은 광 주사장치 및 그것을 사용한 주사형의 화상 표시장치에 관한 것으로서, 특히 주사 디바이스로 광을 2차원적으로 주사함으로써 피주사면, 예를 들면 스크린면 위에 2차원 화상을 투영 및 표시하도록 한 것이다.
광원으로부터 방출된 광 빔의 스폿(빔 스폿)을 피주사면 상에 2차원적으로 광 주사하고, 그 잔상효과에 의해 2차원 화상을 형성하는 다양한 광 주사장치가 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 공개특허공보 특개 2001-281583호 공보 및 일본국 공개특허공보 특개평 11-84291호 공보 참조).
광 주사장치에 있어서는, 광원으로부터의 광 빔을 주사하기 위한 수단으로서, 폴리곤(polygon) 미러, 갈바니(galvanic) 미러, MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 기술 등에 의해 제작된 MEMS 디바이스가 사용되고 있다.
갈바니 미러, MEMS 디바이스 등의 정현파 구동하는 주사 디바이스를 사용했 을 경우, 피주사면 위를 광 주사하는 속도가 주변부에서 늦어지는 것이 일반적으로 알려져 있다.
또한, 이러한 주사 디바이스를 이용하여 2차원적으로 광 주사할 때, 피주사면 위에 형성된 2차원 화상에 주사 왜곡이 발생하는 것이 일반적으로 알려져 있다.
2차원 화상을 고품위로 표시하려면, 주사 왜곡을 양호하게 보정하는 것이 필요하다.
일본국 공개특허공보 특개 2001-281583호 공보의 주사 광학계(결상 광학계)는 회전 비대칭면을 포함하는 적어도 2개의 반사면을 갖는 광학 부재를 포함하고 있다. 그 광학부재의 광학적 파워를 갖는 면 중에서 피주사면에 가장 가까운 측의 면은 투과 작용만을 갖는다. 이 주사 광학계를 이용하여, 폴딩 효과(folding effect)에 의해 광학계의 소형화를 시도하고 있다. 또한, 광학적 파워를 가진 반사면을 사용함으로써, 편심(decentering)에 의한 코마(coma) 수차, 비점 수차 등이 발생하지만, 편심 수차를 회전 비대칭면 형상에 의해 보정한다. 또한, 주사 디바이스로서 폴리곤 미러를 사용할 경우에는, 주사 광학계에 fθ 특성을 갖게 하고, 갈바니 미러 등의 정현파 구동하는 주사 디바이스를 사용할 경우에는, 주사 광학계에 f 아크사인 θ 특성을 갖게 한다. 이와 같이, 피주사면 상에 빔 스폿을 등속 주사한다.
일본국 공개특허공보 특개 2001-281583호 공보의 광 주사장치에 있어서, 2차원적인 직진 주사성 및 등속 주사성의 쌍방을 주사 광학계의 광학 특성에 의해 확보하려고 하는 경우에는, 광학계가 복잡해져 대형화된다. 이 때문에, 일본국 공개특허공보 특개 2001-281583호 공보에서는, 직진 주사성은 주사 광학계의 광학특성 으로 확보하고, 등속 주사성은 전기적 보정으로 확보하고 있다.
이와 같이, 등속 주사성을 전기적 보정으로 확보한 경우에는, 화소의 간격이 같지 않으므로, 새롭게 화소 타이밍을 규정하는 제어가 필요하다. 또한, 클럭의 수가 통상의 수배 이상 필요하게 되어, 전기회로에 걸리는 부담은 증가된다.
또한, 피주사면 상의 광량 분포는 광 주사속도와 반비례의 관계가 되기 때문에, 광량의 비균형이 생겨 화상의 품위를 저하시킨다.
본 발명은 정현파 구동하는 주사 디바이스를 사용하여 피주사면 위에 2차원적으로 광 주사할 때 피주사면 위에 고정밀도로 등속 주사하는 것이 가능한 광 주사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 예시적인 광 주사장치는 광원 유닛과, 그 광원 유닛으로부터의 광을 제1 방향 및 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 피주사면에 주사하는 주사 유닛과, 주사된 광을 피주사면 위로 인도하는 광학 유닛을 갖는다. 그리고, 주사 유닛은 제1 방향에서 정현파 구동하는 편향면을 갖는다. 또한, 광학 유닛은 제1 방향의 임의의 단면이 중심에서 주변부쪽으로 보다 강한 광을 발산시키기 위해 단면형상을 나타내는 함수의 2차 미분값이 변화되는 형상을 갖는 광학 면을 갖는다. 이 광학 면은 제1 방향의 각 단면의 형상을 제2 방향으로 배열함으로써 구성된다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 광 주사장치의 실시예를 설명한다.
제1 실시예
도 1a 및 도 1b는 각각 제1 실시예의 광 주사장치의 주요부 사시도와 일부분의 확대 사시도다.
도 2a는 제1 실시예의 광 주사장치의 수평 주사 방향(제1 주사 방향)의 주요부 단면도(수평 주사 단면도, ⅩZ 단면)이다. 도 2b는 제1 실시예의 광 주사장치의 수직 주사 방향(제2 주사 방향)의 주요부 단면도(수직주사 단면도, YZ단면)이다.
도 1a, 1b, 2a, 2b에서, 참조번호 101은 예를 들면 적색광을 방사하는 반도체 레이저로 이루어진 광원 유닛이다. 광원 유닛(101)은 화상 정보에 의거하여 광 변조된 광 빔을 방출한다. 광원 유닛(101)으로부터 방출된 발산 광 빔은 집광 렌즈(102)에 의해 대략 평행한 광 빔으로 변환되고, 게다가 개구-스톱(103)에 의해 광 빔 폭을 제한시킨다.
개구-스톱(103)을 통과한 광 빔은 집속 광학계(convergence optical system; 104)에 의해 소망의 집속도를 가진 집속 광 빔으로 변환되고, 후술하는 주사 유닛(105)으로 입사하는 입사 광 빔이 된다.
참조번호 105는 주사 유닛을 나타내고, 예를 들면 1차원 방향으로 공진 가능한 제1 편향기(105a)와, 등각속도적으로 편향 가능한 제2 편향기(105b)를 구비한다. 주사 유닛(105)은 광원 유닛(101)으로부터 방출된 광 빔을 제1 편향기(105a)에 의해 수평 주사 방향으로 주사면에 주사하고, 제1 편향기(105a)로부터의 광 빔을 더욱 제2 편향기(105b)에 의해 수직 주사 방향으로 주사면에 주사함으로써, 주사 유닛(105)은 광원 유닛(101)으로부터 방출된 광 빔을 2차원 방향으로 주사면에 주사한다.
참조번호 106은 2개의 미러(106a, 106b) 및 1장의 렌즈(106c)로 구성되는 주사 광학계(제1 실시예의 경우에는, 2차원 주사 광학계)이다. 주사 광학계(106)는 주사 유닛(105)에 의해 2차원 방향으로 주사되는 광 빔을 피주사면(107) 위에 또는 그 근방에 스폿으로서 결상시킨다. 그리고, 주사 유닛(105)에 의해 편향된 광 빔은 2차원 주사 광학계(106)를 통해서 피주사면(107) 위로 인도되고, 스크린인 피주사면(107) 위에 광 주사한다. 이와 같이, 제1 편향기(105a)에 의해 수평 주사 방향으로 고속으로 광 주사해서 주사선을 그리고, 제2 편향기(105b)에 의해 수직 주사 방향으로 저속으로 광 주사해서 스크린(107) 위에 2차원 화상을 표시한다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 제1 편향기(105a) 및 제2 편향기(105b)에 의해 편향된 광 빔은 2차원 주사 광학계(106)를 통해서 스크린(107) 위에 광 주사된다. 이때, 주사 유닛(105)에 의해 2차원 방향으로 주사된 광 빔 중에서, 수평 주사 방향(Ⅹ축 방향)과 수직 주사 방향(Y축 방향)의 중심인 화각(field angle) 중심의 광은 기준 광 빔(Lvc)으로서 정의된다.
기준 광 빔(Lvc)에 의한 수평 방향의 주사 선이 Ⅹ축이고, 수직방향의 주사선이 Y축이다.
기준 광 빔(Lvc)과 수평방향(Ⅹ축 방향)을 포함하는 면은 수평 주사 단면(제1 주사 단면, ⅩZ 단면)이라고 하고, 기준 광 빔(Lvc)과 수직 방향(Y축 방향)을 포함하는 면은 수직 주사 단면(제2 주사 단면, YZ단면)이라고 한다.
제1 실시예에서, 제1 편향기(105a)에는 MEMS(Micro Electron Mechanical Systems)기술에 의해 제작된 MEMS 디바이스를 사용하고 있다. 도 3은 MEMS 디바이스의 주요부 개요도를 나타낸다.
도 3에서, 참조번호 105a는 1차원 편향기인 MEMS 디바이스를 나타낸다. 반사면(편향면)(105a-1)은 토션 바(torsion bar; 105a-2)에 의해 틀체(frame body; 105a-3)에 지지되어 있고, 반사면(105a-1)의 이면에 구비된 자석이 미도시된 코일로부터 발생하는 자력에 반응해서 1차원 방향으로 공진 운동한다. 이 공진 운동에 의해 광 빔이 수평 주사 방향으로 주사되도록, MEMS 디바이스(105a)의 방향을 정렬시키고 있다.
여기서, MEMS 디바이스(105a)와 같이 공진 운동하는 편향기는 반사면(105a-1)의 방향을 수평 주사 방향에서 정현파의 모양으로 변화시킨다. 이하, 이것을 정현파 구동이라고 부른다. 그리고, 정현파 구동에서는 반사면(105a-1)의 각속도가 여현파 모양으로 변화한다. 따라서 반사면(105a-1)의 각속도는 반사면(105a-1)이 정면을 향하고 있을 때 가장 빠르고, 일방의 단(end)의 최대 진폭에 도달했을 때에 각속도가 0이 되고, 역방향의 타방의 단으로 움직이기 시작한다. 이들 움직임을 반복함으로써 왕복 주사를 행한다.
제1 실시예의 광 주사장치에 있어서의 각 광학 부재는 수평 주사 방향으로 대칭으로 배치되고, 제1 편향기(105a)가 정면을 향했을 때, 광 빔이 스크린(107)의 수평 주사 방향의 중심(107a)에 도달한다.
여기서, 광 주사속도는 광 빔이 스크린(107) 위에 광 주사되는 속도로서 정 의된다. 광 주사속도와 스크린(107) 상의 광량 분포는 반비례의 관계에 있고, 광 주사속도가 가장 빠른 스크린(107)의 수평 주사 방향의 중심(107a)에서는 광량이 약해지고, 광 주사속도가 가장 느린 스크린(107)의 수평 주사 방향의 주변부(107b)에서는 광량이 강해진다. 이렇게, 제1 편향기(105a)의 정현파 구동에 의해 광 주사속도가 변화되어 스크린(107) 상의 광량 분포가 불균일하게 된다.
제1 실시예에서는, 스크린(107) 위에 화상을 묘사할 때, 제1 편향기(105a)의 최대 진폭의 90％까지 이용하고 있다. 이것은 주사 효율이 90％라는 것을 의미한다. 따라서, 스크린(107) 상의 주변부의 광 주사속도는 중심의 광 주사속도의 43.6％까지 저하한다. 그것에 따라, 주변부에서의 광량은 중심의 약 2.3배가 되어, 광량의 분포의 불균일이 현저해져, 화상의 품위를 저하시킨다.
여기서, 제1 실시예에서는, 수평 주사 방향으로 아크사인 특성을 가진 주사 광학계를 이용하여 광량의 분포의 불균일을 줄인다.
아크사인 특성은 정현파 구동하는 편향기에 의해 편향된 광 빔을 스크린(107) 위에 등속으로 광 주사하도록 변환하는 주사 광학계의 왜곡이다.
아크사인 특성을 가진 주사 광학계는 아래의 식(1)을 만족하는 광학계이다.
Figure 112005075646412-pat00001
.... (1)
여기서, X는 스크린(107) 상의 수평 주사 방향의 상고(image height)를 나타 내고, fx는 주사 광학계(106)의 수평 주사 방향의 초점 길이를 나타내며, θx는 제1 편향기(105a)의 수평 주사 방향의 주사 각(편향각)을 나타내고,
Figure 112005075646412-pat00002
는 제1 편향기(105a)의 최대 편향각(진폭)을 나타낸다.
제1 실시예에 있어서는, fx = 297(mm),
Figure 112005075646412-pat00003
= ±10.5(deg)이며, 주사 광학계(106)의 화각 ωx은 ωx=±18.9(deg)이다.
주사 효율 Es(%)는 제1 편향기(105a)의 최대 편향각
Figure 112005075646412-pat00004
에 대해 실제로 사용되는 편향각의 최대값 θxmax이며, 아래의 식에 나타나 있다.
Figure 112005075646412-pat00005
제1 실시예에 따른 본 발명은 아래의 식(2)을 만족하도록 구성되어 있다.
Figure 112005075646412-pat00006
.....(2)
제1 실시예에 있어서, θxmax=±9.45(deg),
Figure 112005075646412-pat00007
=±10.5(deg)이며, Es=90(%)이다.
식(1)에서 분명한 바와 같이, 아크사인 특성은 마이너스 왜곡을 발생시키며, 주사 효율 Es가 높을수록, 왜곡의 보정이 어렵게 된다. 특히, 주사 효율이 70%을 넘으면, f·tanθ 특성을 갖는 광학계(x=f·tanθ의 조건을 만족시키는 광학계)에 대하여, 상고를 10% 이상 벌릴 필요가 있어, 광학적 보정이 극단적으로 어렵게 된다.
또한, 2차원 주사 광학계 혹은 복수의 주사선을 동시에 광 주사하는 1차원 주사 광학계에 있어서는, 스크린 위에 광 주사하는 모든 주사선에 있어서, 수평 주사 방향의 등속 주사성을 확보할 필요가 있다. 즉, 2차원 아크사인 특성을 가진 주사 광학계가 요청된다.
다음에, 주사 광학계(106)에 관하여 설명한다.
도 4a는 제1 실시예의 광 주사장치에 있어서의 주사 광학계(106)의 수평 주사 단면 내의 주요부 개요도를 나타내고, 도 4b는 수직 주사 단면 내의 주요부 개요도를 나타낸다.
실제로 주사 광학계(106)는 제1 미러(106a), 제2 미러(106b), 및 하나의 렌즈(106c)로 구성되어 있다. 이들 렌즈는 주사 유닛(105)측으로부터 광 빔의 통과 에 따라 제1 미러(106a), 제2 미러(106b), 및 렌즈(106c)의 순으로 배치된다.
도 1a, 1b에 있어서, 참조번호 104는 1개의 집광 렌즈로 구성된 집속 광학계를 나타낸다. 이 집속 광학계(104)는 입사 광 빔을 제1 편향기(105a)로부터 121.6(mm) 떨어진 위치에 집속시키는 포지티브 광학적 파워를 갖는다. 제1 편향기105a)로부터 피주사면(107)까지의 거리 L은 278.0(mm)이다. 집속 광학계(104)에 의한 자연 집속점은 제1 편향기(105a)와 피주사면(107) 사이에 위치한다. 게다가, 제1 편향기(105a)와 주사 광학계(106)의 최종면(106c)까지의 광로 길이는 기준 광 빔(Lvc)에 따라 19.5(mm)이다. 상기의 자연 집속점은 주사 광학계(106)와 피주사면(107) 사이에 위치한다. 주사 광학계(106)는 전체로서 네가티브 광학적 파워를 갖고, 집속 광학계(104)의 작용에 의해 피주사면(107)의 앞에서 집속되는 광 빔을 약한 집속 광 빔으로 변환해서 피주사면(107) 또는 그 근방에 집광시킨다.
주사 광학계(106)의 동공은 주사 유닛(105)의 위치 또는 그 근방에 위치되어 있다.
표 1은 제1 실시예에 있어서의 2차원 주사 광학계(106)의 구성의 각종 구성요소 수치를 나타낸다.
제1 실시예의 제1 및 제2 미러(106a, 106b) 및 렌즈(106c)의 입사면 및 출사면은 다음 식에 나타낸 바와 같이 XY 다항식으로 표현되는 회전 비대칭 형상의 곡면(소위, 자유 곡면)을 사용하고 있다.
Figure 112005075646412-pat00008
.......(a)
그러나,
R :근축 곡률 반경
K : 코닉(conic) 상수
Cmn : XmYn의 항의 계수
m, n : 정수
표 1은 제1, 제2 주사 미러(106a, 106b)의 각종 수치를 나타낸다. 표 1에 있어서, m 및 n이 10인 경우에, t로 표시한다. 예를 들면, Ct0는 X10의 항의 계수이며, C0t는 Y10의 항의 계수다.
제 1 실시예의 자유 곡면에서는, R 및 K의 항을 사용하지 않지만, 특히 문제는 없다. 물론, R 및 K의 항을 사용해도 문제는 없다.
도 5는 제1 미러(106a)의 면 형상을 나타낸다.
도 6은 제2 미러(106b)의 면 형상을 나타낸다.
도 7a는 렌즈(106c)의 입사면(106ci)의 형상을 나타내고, 도 7b는 렌즈(106c)의 출사면(106co)의 형상을 나타낸다.
제1 및 제2 미러(106a 및 106b)의 반사면, 렌즈(106c)의 입사면(106ci) 및 출사면(106co)은 수평 주사 방향에서 기준 광 빔(Lvc)을 포함하는 평면에 대하여 대칭하고, 수직주사 방향에서는 비대칭인 회전 비대칭면이다. 게다가, 이들 면은 수직 주사 방향에서는 기준 광 빔(Lvc)에 대하여 시프트나 틸트하여 배치되어 있다.
도 8a는 렌즈(106c)의 입사면(106ci)의 2차 미분값을 나타내고, 도 8b는 렌즈(106c)의 출사면(106co)의 2차 미분값을 나타낸다.
도 8b에 나타낸 바와 같이, 렌즈(106c)의 출사면(106co)은 수평 주사 방향의 주사 중심부터 주사주변(주변)쪽으로 수평 주사 방향의 면 형상의 2차 미분값이 변하는 면 형상이다. 구체적으로, 수평 주사 방향의 단면 형상의 2차 미분값이 중심에서 주변으로 서서히 증가하는 단면 형상이다.
이러한 형상을 갖는 면은 출사 후에 광 빔을 외측으로 향하게 할 수 있다(발산 작용). 그리고, 통과하는 광 빔의 렌즈(106c)의 출사면(106co) 상의 위치는 그것의 주변부에 가깝기 때문에, 광 빔의 진행 방향을 외측으로 향하게 하는 효과가 크다. 따라서, 스크린(107) 상의 광 주사속도를 서서히 빠르게 할 수 있다.
정현파 구동하는 주사 유닛(105)에 의한 편향에서는, 스크린(107) 상의 광 주사 속도는 피주사면 상의 중심에서 빠르고 주변에서 느리다. 따라서, 양자의 광 주사속도를 제거하여, 스크린(107) 위에서 등속 주사를 실현한다.
도 9는 제1 실시예의 광 주사장치의 피주사면(107) 상의 주사 광 빔의 주사 속도 비를 나타낸다.
도 9는 스크린(107)상의 묘화 영역의 1라인을 광 주사하는데 필요한 시간을 200 등분하고, 이들 사이에 광 주사되는 거리로부터 광 주사속도를 요구한 것이며, 각 주사 위치의 광 주사속도를 주사 중심의 광 주사속도에 대한 비율로 나타내고 있다. 이하 이 비율을 주사 속도 비라고 부른다.
스크린(107) 위의 주사 속도 비가 주사 중심에 대하여 오차 ±10% 이내에서 조절되면 그 주사 속도 비는 광량 분포의 불균일을 나타내지 않게 되므로, 화상의 열화를 제어할 수 있다. 바람직하게는, 오차는 ±5% 이내에서 제어된다.
제1 실시예의 주사 속도 비는 최대 1.0016이고, 최소 0.9986이다. 즉, 오차 는 최대에서도 +0.16%이며, 목표의 10% 이내에서는 충분하게 수용되는 정밀도이다. 본 실시예의 주사 광학계는 상당한 고밀도에서 아크사인 보정을 수행한다는 것을 알 수 있다.
제1 실시예의 광 주사장치는 2차원 주사장치이며, 그 해상도는 SVGA(800×600 화소)이다.
지금까지는 1개의 주사선(화면 중앙을 통과하는 주사선)에 관한 등속 주사성 에 관하여 설명해 왔지만, 광 주사장치에 관해서는, 수직 주사 방향으로 정렬된 600개의 모든 주사선에서, 수평 주사 방향의 등속 주사성이 확보되는 것이 바람직하다.
그래서, 제1 실시예에 있어서의 2차원 주사 광학계(106)에서는, 주사 렌즈(106c)의 출사면(106co)을, 특정한 3차원 곡면 형상이라고 한다. 즉, 수평 주사 방향의 임의의 단면을, 그 형상을 나타내는 계수의 2차 미분값이 중심에서 주변부로 이동함에 따라 서서히 증가하는 방향으로 변화되는 형상이라고 하고, 동시에 수평주사 방향의 각 단면에 의해 그 형상을 수직 주사 방향으로 정렬시킨 3차원 형상의 면이라고 한다. 이 면 형상은 "2차원 아크사인 보정면"이다. 이 "2차원 아크사인 보정면"은 수직 주사 방향으로 정렬된 모든 주사선에서 아크사인 특성을 발휘할 수 있다. 그 때문에, 모든 주사선에 있어서, "2차원 아크사인 보정면"의 수평 주사 방향의 주변부를 통과하는 광 빔은 외측으로 향하고, 스크린(107) 위의 주사 중심으로부터 주사 주변으로 이동함에 따라 서서히 광 주사 속도를 빠르게 할 수 있다.
이것에 의해, 스크린 위에 묘사된 2차원 화상의 전체 면을 지나서 수평 주사 방향의 아크사인 특성을 발휘시킬 수 있다.
그리고, 제1 편향기(105a)의 정현파 구동에 의한 광 주사속도와, 주사 광학계(106)의 아크사인 특성에 의한 광 주사속도를 제거시켜서, 스크린(107) 위에 묘사된 화상 전체 면을 지나 수평 주사 방향에서 등속주사를 행한다.
도 10은 수직 주사 방향의 한쪽의 최대 상고(image height)를 100%라고 했을 때 0%(주사 중심), 25%, 50%, 75%, 100%의 상고에 위치된 5개의 주사선에 대해서, 수평주사 방향의 주사 속도 비를 나타낸다.
이들 주사선에 있어서도 주사 속도 비의 오차는 최대 1.0034이고, 최소 0.9913이며, 오차는 0.87% 이하이다.
즉, 제1 실시예의 2차원 광 주사 장치에서는, 스크린(107) 위에 표시된 주사 화면 전체 면에서, 수평 주사 방향의 주사 속도를 일정하게 하는 것이 가능하다.
도 11은 제1 실시예의 광 주사장치의 스크린(107) 위에 형성된 주사 화상을 나타낸다.
도 11은 17개의 종선(17)과 11개의 횡선으로 묘사된 격자 화상이다. 종선과 횡선과의 모든 교점 좌표를 획득한 후 선을 긋고 있다. 한 횡선에 있어서는, 종선과의 교점에서 인접한 종선과의 교점까지의 시간이 같게 되도록 표시되어 있다. 격자 화상은 수평 주사 방향의 격자 간격이 일정하기 때문에, 화면 전체에서 등속 주사성이 확보된다는 것을 알 수 있다. 본 실시예에서는 주사 효율 90%에서 묘사를 수행하고, 주사 효율이 높은 영역까지 고정밀도로 아크사인 보정을 행한다는 것을 알 수 있다.
도 12는 제1 실시예의 광 주사장치를 구성하는 렌즈(106c)를 제거했을 경우의 스크린(107) 위에 형성된 주사 화상을 나타낸다.
도 12에서, 렌즈(106c)가 없는 경우, 주로 수평 주사 방향의 주변부에서 변화가 크다는 것을 알 수 있다. 수평 주사 방향의 주사 중심에서 주사 주변 쪽으로 이동함 따라, 인접한 종선과의 간격이 서서히 좁아져, 주변부에서는 중심 부근의 간격 절반 이하가 된다.
또한, 도 13은 제1 실시예의 광 주사장치를 구성하는 렌즈(106c)를 제거했을 경우의 주사 속도 비를 나타낸다.
도 13에서, 주사 중심에서 주사 주변으로 이동함에 따라 주사 속도 비가 저하된다는 것을 알 수 있다. 이것은 등속 주사성이 상당히 나쁜 상태라는 것을 나타낸다. 이것에 의해, 주사 광학계(106)의 아크사인 특성은 렌즈(106c)에 의해 발생한다는 것을 알 수 있다.
즉, 본 실시예에서는, 렌즈(106c)의 출사면(106co)을 "2차원 아크사인 보정면"으로 설정함으로써, 2차원 주사 화상의 전 영역에서 수평 주사 방향의 등속 주사성을 확보할 수 있다.
이에 따라 밝기의 불균일이 없는 양호한 주사 화상을 항상 표시하는 것이 가능한 화상 표시장치를 제공한다.
또한, 제1 실시예에서는, 주사 광학계(106)에서 광학적 파워를 갖는 면 중에서 가장 피주사면측에 가까운 렌즈(106c)의 출사면(106co)을 "2차원 아크사인 보정면"이라고 한다. 주사 광학계(106)에서는, 주사 유닛(105)으로부터 이탈함에 따라 광 빔의 중첩이 감소한다. 이 때문에, 광 빔의 중첩이 가장 적은 최종면 (피주사면 측에 가장 가까운 면)을 "2차원 아크사인 보정면"이라고 함으로써, 각 주사 위치에 따른 최적 형상을 구성하는 것이 가능해져 아크사인 특성의 정밀도를 향상시킨다.
또한, "2차원 아크사인 보정면"을 가진 렌즈(106c)를 수평 주사 방향에서 피주사면 측의 오목의 메니스커스(meniscus) 형상이라고 한다. 렌즈(106c)의 입사면(106ci)도 출사면(106co)과 마찬가지로, 입사면(106ci)의 수평 주사 방향의 주사 중심에서 주사 주변으로 입사면(106ci)의 수평 주사 방향의 형상의 2차 미분값이 서서히 증가하는 형상을 수직 주사 방향으로 정렬시킨 형상이라고 한다. 렌즈(106c)를 이러한 형상으로 구성함으로써, 입사면과 출사면에 의해 광학적 파워를 제거시키면서, 광 빔의 진행 방향을 독립적으로 변화시킬 수 있다. 이것에 의해 아크사인 특성에 필요한 형상을 얻기 위한 자유도를 향상시킨다.
또한, "2차원 아크사인 보정면"이라고 한 출사면(106co)은 제1 주사 방향인 수평 주사 방향과, 제2 주사 방향인 수직 주사 방향과 다른 형상을 갖는 형상이다. 또, 출사면(106co)의 내외에 회전 대칭축이 없는 회전 비대칭한 형상의 면이기도 한다. 이것에 의해, 아크사인 특성에 필요한 형상을 얻기 위한 자유도가 향상된다.
이때, 제2 주사 방향의 2차 미분값의 절대값보다 제1 주사 방향의 2차 미분값의 절대값을 크게 하면, 아크사인 보정을 행하는 제1 주사 방향에만 기여하는 면 위에 관련 형상을 형성할 수 있으므로, 설계의 자유도를 더 향상시킨다.
또한, "2차원 아크사인 보정면"은 제2주사 방향의 주사 중심에서 주사 주변으로 이동했을 때보다도 제1 주사 방향의 주사 중심에서 주사 주변으로 이동했을 때에, 제1 주사 방향의 2차 미분값의 변화량이 커지도록 설정되어 있다. 이에 따라 아크사인 특성만을 독립적으로 보정할 수 있어, 수직 주사 방향의 어느 쪽의 위치에서의 주사 선에 대해서도 양호하게 아크사인 보정을 수행한다.
또한, "2차원적 아크사인 보정면"이라고 한 출사면(106co)은 제1 주사 방향인 수평 주사 방향의 단면에서 대칭성을 가진 형상을 갖고, 제2 주사 방향인 수직 주사 방향에서는 비대칭성을 가진 형상을 갖는다. 이렇게, 형상을 2차원 주사 방향 중 어느 한 방향으로 대칭성을 가진 형상으로 형성함으로써, 수차 보정이 용이해지는 장점이 있다. 특히, 주사 유닛이 정현파 구동하는 방향으로 대칭성을 가진 형상으로 주사 유닛을 설정하는 것이 바람직하다.
또한, "2차원 아크사인 보정면"을 사용하면, 스크린(107)까지의 투영 거리에 관계없이, 어떤 투영 거리라도 항상 양호한 아크사인 보정을 행할 수 있다. 프론트 프로젝터(front projector) 등 투영 거리가 불특정한 화상표시장치에서, "2차원 아크사인 보정면"을 사용하면, 본 발명은 아주 큰 효과를 얻을 수 있다.
제1 실시예에서는, 2차원 광 주사장치를 일 예로 설명했지만, 이 시스템에 제한되는 것이 아니라, 1개의 주사선을 묘사하는 1차원 주사장치, LED 어레이나 LD 어레이 등의 복수의 발광 점을 어레이 모양으로 배치한 멀티 빔 주사장치, 및 DMD나 GLV 등의 공간 변조기로부터의 광 빔을 편향기에 의해 주사하는 주사 광학계에서도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이후에는, 2차원 광 주사 화상에서의 주사 왜곡과 그 보정 방법에 관하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 제1 실시예에서 피주사면(107) 위에 2차원 방향으로 광 주사하는 광로를 나타낸다.
주사 유닛(105)의 제1 편향기(105a)는 전술한 대로 MEMS 디바이스로 구성된다.
한편, 주사 유닛(105)의 제2 편향기(105b)는 등각 속도도로 구동하는 스텝핑 모터(stepping motor)에 장착된 평면 미러로 구성되어 있다.
그리고, 제1 편향기인 MEMS 디바이스(105a)와 제2 편향기인 평면 미러(105b)는 서로 근접하여 배치되어 있고, 그 간격을 7.0(mm)으로 한다.
제1 실시예의 주사 유닛(105)은 광원 유닛(101)로부터의 광 빔을 제1 편향기(105a)에 의해 수평 주사 방향으로 주사하고, 제2 편향기(105b)에 의해 수직 주사 방향으로 주사해서 2차원 주사를 행한다. 일반적으로, 광 주사장치에 의해 스크린(107) 위에 묘사되는 주사 화상은 입력된 영상 신호에 따라 표시되는 것이 바람직하다.
그러나, 2차원 주사에 의해 발생된 TV 디스토션, 주사 광학계(106)의 디스토션, 주사 유닛(105)의 구동 특성에 의한 등속 주사성의 디스토션, 그리고 경사지게 투영했을 경우에 발생한 사다리꼴 왜곡, 더 나아가서 입사 광 빔을 경사지게 주사 유닛(105)으로 입사시킴으로써 생기는 직진 주사성의 디스토션 등, 여러가지 요인에 의해 주사 화상에는 주사 왜곡이 생겨, 화상의 품위를 현저하게 저하시키는 경우가 있다.
도 14는 제1 실시예의 주사 광학계(106)가 존재하지 않는 경우의 스크린 (107) 위에 형성되는 주사 화상을 나타낸다. 주사 화상에는, 디스토션(등속 주사성), TV 디스토션, 상측이 넓은 사다리꼴 왜곡, 하측에 볼록한 형상의 직진성 디스토션(주사선의 만곡)이 생겨, 주사 화상의 품위를 저하시킨다.
그래서, 제1 실시예에서는, 주사 왜곡을 보정하기 위해서 아래와 같은 구성을 사용한다.
우선, 수평 주사 방향에서, 주사 광학계(106)에 아크사인 특성을 줌으로써, 주사 유닛(105)의 정현파 구동에 의한 주사 위치의 어긋남을 보정하고, 수평 주사 방향의 등속 주사를 실현한다. 이에 따라, 주사 광학계(106)의 왜곡과 주사 유닛(105)의 구동 특성에 의한 등속 주사성의 왜곡을 제거한다. 또한, 수직 주사 방향으로 정렬된 어느 주사 선이든지 아크사인 특성을 만족시킴으로써, 수평 주사 방향의 주사 위치가 항상 일정하게 되도록 보정을 행한다. 이에 따라, 종선을 직선으로 표시한다. 이렇게, 주사 광학계에 수평 주사 방향의 2차원 아크사인 특성을 줌으로써 수직 주사 방향의 주사 왜곡을 보정한다. 이와 같이, TV 디스토션 중에서, 수직 주사 방향의 성분에 대한 문제점을 해결한다.
또한, 수직 주사 방향에서 주사 광학계에 탄젠트(tangent)θ 특성(f-tanθ 특성)을 제공함으로써, 수직 주사 방향의 주사 위치를 항상 같은 위치로 유지할 수 있도록 함으로써, 수평 라인을 직선적으로 묘사하고 있다. 이렇게, 주사 광학계에 2차원 수직 주사 방향의 탄젠트 특성을 제공함으로써, 수평 주사 방향의 주사 왜곡을 보정한다. 이것으로, TV 디스토션 중에서, 수평 주사 방향의 성분에 관한 문제점도 해결한다.
즉, 수평 주사 방향에 아크사인 특성을 갖고 수직 주사 방향에 탄젠트 특성을 가진 2차원 주사 광학계를 사용함으로써, 주사 왜곡을 보정하여, 항상 고품위의 화상을 표시하는 것이 가능한 화상 표시 장치를 얻을 수 있다.
이때, 2차원 주사 광학계(106)에 수평 주사 방향의 아크사인 특성을 제공해서 TV 디스토션을 양호하게 보정하기 위해서도, 각종 주사 왜곡을 보정하는 것이 중요한 과제가 된다.
그래서, 제1 실시예에서는, 2차원 주사 광학계(106)의 구성을 적절하게 설정한다. 특히, 입사 방법이나 제1 미러(106a) 및 제2 미러(106b)의 구성을 적절하게 설정하여, 각 주사 왜곡을 보정한다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예의 2차원 광 주사장치는 경사진 투영 방식에 의해 스크린(107) 위에 주사 화상을 표시한다.
제1 편향기(105a) 및 제2 편향기(105b)에 의해 편향된 광 빔으로, 2차원 주사 광학계(106)를 통해서 스크린(7) 위에 2차원적으로 광 주사한다.
제1 실시예의 2차원 광 주사 장치에서는, 도 2b에 나타낸 바와 같이 수직 주사 방향에서 스크린(107)에 유한의 각도 θvc(≠O deg)로 기준 광 빔(Lvc)을 입사한다. 그리고, 모든 광속에 대해서는, 수직 주사 방향의 입사각이 θvi≥0(deg)이상이다.
이와 같이, 경사 투영 방식에 의해, 스크린(107) 위에 표시된 주사 화상을 위쪽으로 시프트시켜, 관찰자가 보기 쉬운 위치에 주사 화상을 표시한다. 또한, 이 광 주사장치를 탑재한 주사형 화상 표시장치를 책상 위에 두었을 경우에, 주사 화 상이 책상에 표시되는 일없이 모두 스크린(107) 위에 표시될 수 있다.
또한, 제1 실시예에서는 수직 주사 방향에서 경사 투영을 행하고, 이때, 수직 주사 방향에서 기준 광 빔(Lvc)이 스크린(107)으로 입사하는 각도 θvc는 18.0(deg)이다. 여기에서, 광 빔이 스크린(107)으로 입사하는 각도가 큰 쪽을 상부라고 하고, 광 빔이 스크린으로 입사하는 각이 작은 쪽을 하부라고 했을 때, 스크린(107) 위의 가장 상부로 입사하는 광 빔의 주 광선은 입사각 θvu = 32.9(deg)으로 스크린(107)으로 입사하고, 가장 하부로 입사하는 광 빔의 주 광선은 입사각 θvi=0.00(deg)으로 스크린(107)으로 입사한다.
따라서, 본 실시예에서는, 모든 광속에 대해서, 수직 주사 방향의 입사각을 θvi≥0.00(deg)이라고 한다.
특히, 피주사면(107)으로의 입사각이 작은 광 빔이 통과하는 쪽으로부터, 광 빔을 주사 유닛(105)으로 입사시킨다.
한편, 수평 주사 방향에서는, 도 2a에 도시한 바와 같이, 기준 광 빔(Lvc)은 피주사면(107)에 수직으로 입사하고, 주사 중심에 대하여 대칭하도록 배치되어 있다.
이와 같이, 경사 투영 방식에 의해 스크린(107) 위에 화상을 표시하면, 도 14에 도시한 바와 같이 사다리꼴 왜곡이 크게 발생해서, 표시 화상의 품위를 저하시키는 경우가 있다.
사다리꼴 왜곡은 일반적으로 잘 알려져 있는 것 같이, 스크린(107)까지의 광로 차에 의하여 발생된 왜곡이고, 광로가 짧은 경우에는 화상의 폭이 짧아지고, 광 로가 긴 경우에는 화상의 폭이 넓어진다. 화상을 경사지게 투영했을 경우, 스크린(107)에 수직해서 화상이 입사하는 부분의 광로 길이는 짧아, 입사각이 크면 클수록 광로 길이는 길어진다. 따라서, 위쪽으로 경사지게 투영한 경우에는 화상의 상측이 넓고 하측이 좁은 사다리꼴 왜곡이 발생한다.
또한, 다른 주사 왜곡으로서, 직진성의 디스토션이 있다.
도 15는 수평 주사 단면 내의 편향기(105a)에 의해 편향된 광 빔의 상태를 설명하는 도면이다.
도 15에 도시한 바와 같이, 제1 편향기(105a)의 편향방향인 수평 주사 방향으로부터 입사 광 빔을 제1 편향기(105a)로 입사시킨 편향면 내의 입사의 경우에, 제1 편향기(105a)의 반사면의 방향에 의존하여 입사 편향이 가능한 광 빔 폭이 달라진다. 특히, 광 빔 폭이 입사 방향으로부터 멀어지는 방향으로 편향되는 경우에는, 광량의 손실이 문제가 된다.
그래서, 제1 실시예에서는, 수평 주사 방향으로 편향하는 제1 편향기(105a)로, 그 편향방향과 직교하는 수직 주사 단면(제2 주사 단면) 내의 각도로 광원 유닛(101)으로부터의 광 빔을 입사시킨다. 이것은 소위 경사 입사라고 불리는 입사 방법이다.
광원 유닛(101)으로부터 주사 유닛(105)으로 광 빔을 입사시킬 때의 입사 각은 입사 광 빔의 주 광선과 기준 광 빔(Lvc) 사이에 형성된 각도로 정의된다.
여기에서, 편향면 내의 입사의 경우에 관해서 설명한다.
제1 실시예와 같은 화각을 고려하면, 주사 광학계(106)의 수평 화각을 37.80(deg)이라고 하고, 수직 화각을 21.17(deg)이라고 하며, 편향면 내의 입사각을 30(deg)이라고 했을 때, 제1 편향기(105a)의 방향에 의존하여, 편향 가능한 광 빔 폭이 제1 편향기(105a)의 반사면의 폭의 98~66% 사이에서 변한다. 편향 가능한 광 빔 폭이 감소할 때, 편향 광 빔의 세기(intensity)도 손실되어 광량 손실이 발생한다. 한편, 제1 실시예와 같이, 수직 주사 방향으로부터 광 빔을 경사 입사시킨 경우에는, 편향 가능한 광 빔 폭은 제1 편향기(105a)의 반사면의 방향에 거의 영향을 받지 않는다. 본 실시예에서는, 경사 입사에 있어서의 입사각을 28(deg)로 하고, 편향 가능한 광 빔 폭은 제1 편향기(105a)의 반사면의 폭의 94~93% 사이에 있다. 이것에 의해, 제1 편향기(105a)의 반사면을 유효하게 사용할 수 있고, 편향 가능한 광 빔 폭의 감소가 극단적으로 작아져서, 광량 손실의 문제를 개선시킨다.
그러나, 경사 입사 방식의 주사 광학계의 경우, 스크린(107)에 묘사된 화상은 수평 라인이 만곡되어 있다. 이것은 소위 주사선의 만곡이라고 한다. 도 16은 제1 실시예에 따른 경사 입사에서의 주사선의 만곡의 설명도이다.
경사 입사 방식의 경우에, 주사선은 수평 주사 방향의 중심에서 주변으로 접근함에 따라, 스크린(107)의 상부를 시프트시킨다. 즉, 아래쪽으로 볼록한 주사선이 발생한다. 제1 편향기(105a)에 의해 광 빔이 반사될 때, 제1 편향기(105a)의 반사면의 방향이 수평 주사 방향으로 경사짐에 따라, 광 빔의 반사 방향의 수직 주사 방향 성분이 서서히 커지기 때문에, 아래쪽으로 볼록한 주사선이 발생한다. 그리고, 제2 편향기(105b)나 2장의 주사 미러(106a, 106b) 등의 반사면에 의해 반사될 때에, 주사선의 만곡의 방향을 변경시키면서 광 빔이 스크린(107)에 도달한다.
상측의 경사 투영을 수행한 경우에는, 아래쪽으로 볼록한 주사선의 볼록한 만곡을 아래쪽으로 발생시키면, 주사 광학계에 의해 직진성의 디스토션을 보정하는 것이 쉬워진다. 여기서, 제1 편향기(106a)로의 광속의 경사 입사 방향은 제2 편향기(105b)에 의해 편향된 영역과는 반대로 되어 있다.
제1 실시예의 광 주사 장치에서는, 주사 광학계(106)에 포함되는 2장의 미러(106a, 106b)를 이용하여 이 문제를 해결한다.
주사 광학계(106)의 2장의 미러(106a, 106b)는 수직 주사 방향에서 편향 광 빔의 광로를 폴드(fold)하도록 배치되어 있다. 이것은 경사 투영과 같은 주사 방향이다.
도 17은 제1 실시예의 제1 미러(106a)에서의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타낸다. 도 18은 제1 실시예의 제1 주사 미러(106b)에서의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타낸다.
도 17에 도시한 바와 같이, 제1 미러(106a)의 수평 주사 방향의 2차 미분값은 수평 주사 방향의 주사 중심으로부터 주사 주변에 접근함에 따라 일단 작아지고, 그 후에 서서히 커져서 주변부에서는 2차 미분값이 주사 중심보다 큰 값이 된다. 제1 미러(106a)는 광 빔이 마이너스(minus)측으로부터 입사해서 마이너스로 출사하는 면이고, 광 빔을 외측으로 향하게 하는 작용을 갖는다. 특히, 주변부에서 큰 효과를 갖는다. 그리고, 제1 미러(106a)는 이러한 형상을 수직 주사 방향으로 배열한 면 형상을 갖는다.
한편, 도 18에 도시한 바와 같이, 제2 미러(106b)의 수평 주사 방향의 2차 미분값은 수평 주사 방향의 주사 중심에서 주사 주변으로 근접함에 따라 일단 작아지고, 그 후에, 서서히 커져서 주변부에서는 2차 미분값이 주사 중심보다 큰 값이 된다. 제2 미러(106b)는 플러스 측으로부터 입사해서 플러스 측으로 출사하는 면이고, 외측으로 향한 광 빔을 내측으로 향하게 하는 효과를 갖는다. 특히, 주변부에서 그 효과가 크다. 그리고, 제2 미러(106b)는 이러한 형상을 수직 주사 방향을 정렬한 면 형상을 갖는다.
이와 같이, 제1 미러(106a)에 의해 광 빔을 외측으로 향하게 하고, 그 광 빔을 제2 미러(106b)에 의해 다시 내측으로 향하게 함으로써, 피주사면으로서 기능하는 스크린(107)으로 광 빔을 인도한다. 제1 편향기(105a)가 특정한 각도에서 편향되어 있을 때, 제2 편향기(105b)의 모든 편향 각에서의 광 빔이 수평 주사 방향의 단면에서 보았을 때와 같은 광로를 따라 스크린(107)으로 이동하도록, 제2 주사 미러(106b) 위의 반사 점의 위치가 규정되어 있다. 그리고, 제1 미러(106a)에서는, 제2 미러(106b) 위의 반사 위치쪽으로 광 빔을 반사한다. 제2 미러(106b) 위의 반사 점의 위치는 수평 주사 방향의 주변부에서 그 간격이 넓어지므로, 제1 미러(106a)의 수평 주사 방향의 2차 미분값도 주변부에서 크게 할 필요가 있다. 또한 제1 미러(106a)의 2차 미분값이 커지면, 광 빔이 외측으로 크게 넓혀지기 때문에, 제2 미러(106b)의 주변부의 2차 미분값도 크게 하고, 광 빔을 내측으로 향하게 하는 효과도 크게 할 필요가 있으며, 제2 미러(106b)의 반사 점으로부터 스크린(107) 상의 소정의 위치로 광 빔을 인도하도록 제1 미러(106a) 및 제2 미러(106b)의 형상을 결정한다.
이와 같이 구성하면, 제1 편향기(105a)에 의해 특정한 각도로 편향된 광 빔은 제2 편향기(105b)의 편향 각에 관계없이 항상 수평 주사 방향의 같은 위치에 도달한다.
그 결과, 경사 투영 방식에 의해 발생한 사다리꼴 왜곡을 보정 할 수 있고, 동시에 수직 주사 방향의 TV 디스토션을 보정할 수 있다.
게다가, 제1 미러(106a)가 마이너스의 광학적 파워를 갖고, 제2 미러(106b)가 플러스의 광학적 파워를 갖기 때문에, 상면(像面) 만곡의 보정에도 효과가 있다. 또한, 제1 편향기(105a)에 의해 반사된 광 빔의 제2 미러(106a) 위의 반사 점이 수평 주사 방향의 주사 중심으로부터 주사 주변 쪽으로 향함에 따라 스크린(107)으로부터 멀어진다. 이것에 의해, 경사 입사에 의해 발생된 주사선의 만곡 형상과 제1 편향기(105a)에 의해 수평 주사 방향으로 편향된 광 빔의 제2 미러(106b) 위의 반사 점의 궤적을 같게 하여, 제2 주사 미러(106b)에 의해 반사된 후의 광 빔을 동일 평면 내에 배치한다.
그 때문에 스크린(107) 위의 주사선을 직선으로 할 수 있으므로, 경사 입사에 의한 주사선의 굴곡 및 수평주사 방향의 TV 디스토션을 양호하게 보정할 수 있다.
이와 같이, 제1 주사 방향으로 주사하는 편향기에 광원으로부터의 광 빔을 경사지게 입사시켜, 주사 광학계에 포함된 반사면 중에서, 가장 피주사면에 가까운 반사면을 최종 반사면으로 하고, 이 최종 반사면을 제1 주사 방향과 직교하는 제2 주사 방향으로 경사지게 배치하고, 제1 주사 방향에서의 최종 반사면 위의 반사 점 의 궤적이 최종 반사면의 중심으로부터 떨어짐에 따라 반사 점이 피주사면으로부터 멀어지도록 배치됨으로써, 주사선의 만곡을 양호하게 보정할 수 있다.
이상과 같이, 2차원 주사 광학계(106)는 회전 비대칭한 형상의 2장의 반사면을 사용한다.
제1 실시예는 제1 미러(106a)와 제2 미러(106b)를 구비한다.
도 19a 및 도 19b를 참조하여, TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡의 산출 방법을 설명한다.
도 19a는 TV 디스토션의 산출 방법을 설명하는 도면이다. TV 디스토션은 표시된 화면의 프레임의 만곡한 양을 나타낸 수차량이며, 화면 중앙을 통과하는 축을 따른 변위량을 화면의 폭으로 나눈 양이다. 따라서, 화면 프레임의 각 변(side)에 있어서의 TV 디스토션은 이하의 식으로 표현된다.
상변 L1 : a/B × 100 (%)
하변 L2 : b/B × 100 (%)
좌변 L3 : c/A × 100 (%)
우변 L4 : d/A × 100 (%)
게다가, 도 19b는 사다리꼴 왜곡의 산출 방법을 설명하는 도면이다. 사다리꼴 왜곡은 표시된 화면의 프레임의 경사의 양을 나타낸 수차량이고, 화면의 각의 변이를 화면의 폭으로 나눈 양이다. 따라서, 화면의 프레임의 사다리꼴 왜곡은 이하의 식으로 표현된다.
상변 L1 : e/2/B × 100 (%)
하변 L2 : f/2/B × 100 (%)
좌변 L3 : g/2/A × 100 (%)
우변 L4 : h/2/A × 100 (%)
도 11은 제1 실시예의 광 주사장치에서의 주사 화상을 나타낸다. 또한, 표 2는 TV 디스토션과 사다리꼴 왜곡의 양을 나타낸다.
제1 실시예의 광 주사 장치에서, TV 디스토션은 상변에서 -0.01(%)이고, 하변에서 -0.01(%)이며, 좌변에서 0.00(%)이고, 우변에서 0.00(%)이며, 사다리꼴 왜곡은 상변에서 0.00(%)이고, 하변에서 0.00(%)이며, 좌변에서 0.00(%)이고, 우변에서 0.00(%)이며, 거의 완벽하게 주사 왜곡을 보정한다.
도 14는 제1 실시예의 광 주사장치로부터 2차원 주사 광학계를 제거했을 경우의 비교 예에 있어서의 주사 화상을 나타낸다. 또한 표 3은 TV 디스토션과 사다리꼴 왜곡의 양을 나타낸다.
제1 실시예의 광 주사장치로부터 2차원 주사 광학계를 제외했을 경우의 비교 예에서, TV 디스토션은 상변에서 7.55(%)이고, 하변에서 6.49(%)이며, 좌변에서 -0.84(%)이고, 우변에서 0.84(%)이며, 사다리꼴 왜곡은 상변에서 0.00(%)이고, 하변에서 0.00(%)이며, 좌변에서 -2.01(%)이고, 우변에서 2.01(%)이다. 이에 따라 경사 투영 방식에 의해서 스크린(107)에 광 빔을 투사하는 광 주사장치 혹은 경사 입사 방식에 의해 주사 유닛(105)에 광 빔을 입사시키는 광 주사장치이더라도, 제1 실시예의 2차원 주사 광학계(106)를 사용함으로써, 주사 왜곡이 극히 드물게 발생하고 항상 양호한 2차원 주사 화상을 표시할 수 있는 광 주사 장치를 획득한다.
제1 실시예에서는, 광원 유닛(101)으로부터의 광 빔을 주사 유닛(105)에 의해, 수평 주사 방향의 화각 θx = ±18.9(deg)과 수직 주사 방향의 화각 ±10.0(deg)에서 주사한다. 또한, 2차원 주사 광학계(106)에 의해 스크린(107) 위에 표시된 각 화각의 편향 광 빔의 화상의 수평 주사 방향의 폭은 243.5(mm)이고, 수직 주사 방향의 폭은 182.6(mm)이므로, 대향 각 12.0(inch)의 주사 화상을 표시한다. 주사 화상의 폭은 화상 중심을 통과하는 위치에 의해 정의된다. 즉, 2차원 주사 광학계의 제1 주사 방향의 전체 화각은 θd1 = 37.8(deg)이고, 제2 주사 방향의 전체 화각 θd2 = 20.0(deg)이며, 표시 화상의 제1 주사 방향에서의 폭은 Wil = 243.5(mm)이고, 제2 주사 방향에서의 폭은 Wi2 = 182.6(mm)이며, 그것은 아래의 조건식이 되고,
Figure 112005075646412-pat00009
아래의 식(3)과 같은 조건식을 만족한다.
Figure 112005075646412-pat00010
....(3)
θd2/θd1이 식(3)에서 하한값 이하이면, 제2 주사 방향의 상면 만곡을 보정하는 것이 어렵게 되고, 스폿의 비대를 초래하여 해상도가 열화한다. θd2/θd1이 식(3)에서 상한값 이상이면, 사다리꼴 왜곡을 보정하는 것이 어렵게 된다. 여기에서, 상기 식(3)에 나타낸 조건을 만족시킴으로써, 사다리꼴 왜곡을 양호하게 보정할 수 있고, 또한 제2 주사 방향의 상면 만곡을 양호하게 보정함으로써 스폿을 원하는 크기로 만든다.
또한, 제2 주사 방향인 수직 주사 방향의 화각을 작게 설정함으로써 2차원 주사 광학계(106)의 소형화를 꾀하고 있다.
제1 실시예와 같이 주사 유닛(105)이 2개의 편향기(105a, 105b)로 구성되는 경우에는, 스크린(107) 위에 표시된 화상 중에서, 폭이 넓은 화상을 스크린(107)으로부터 떨어진 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 이 배치에 의해, 2차원 주사 광학계(106)의 성능을 쉽게 보정할 수 있다.
2차원 주사 광학계(106)의 수평 주사 방향의 폭을 Dx, 수직 주사 방향의 폭을 Dy, 수평 주사 방향 및 수직 주사 방향과 수직한 Z축 방향의 폭을 Dz라고 했을 때, 다음의 조건들을 만족한다.
Dx = 36.0(mm)
Dy = 19.4(mm)
Dz = 24.4(mm)
및,
Dx ≤ 50(mm)… (4)
Dy ≤ 30(mm)… (5)
Dz ≤ 50(mm)… (6)
또한, 제1 편향기(105a)로부터 2차원 주사 광학계(106)의 피주사면에 가장 가까운 위치까지의 Z축 방향의 거리를 Ld라고 했을 때,
Ld = 36.5(mm)이며,
다음의 조건을 만족한다.
Ld ≤ 50(mm)… (7)
그 결과, 2차원 광 주사장치가 매우 콤팩트하게 되고, 이 2차원 광 주사장치를 탑재한 화상 표시 장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 광학 부품을 유지하는 기계적인 부재의 구성, 및 보관 장소의 점유 용적을 저감 할 수 있어, 비용 절감을 실현할 수 있다.
이와 같이, 주사 유닛(105)에 정현파 구동하는 편향기를 이용하여 스크린(107)위에 주사 화상을 표시시킬 경우의 등속 주사성이 붕괴되는 문제, 주사 유닛(105)에 의해 2차원 방향으로 편향함으로써 생기는 TV 디스토션뿐만 아니라 경사 투영 방식에 의해 생기는 사다리꼴 왜곡, 경사 입사에 의한 주사선의 만곡 등, 각종 주사 왜곡의 발생에 의해 주사 화상의 품위가 현저하게 저하되었지만, 제1 실시예에 의해, 주사 화상 전역에 걸쳐서 등속 주사성을 확보하는 동시에, TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡 등의 주사 왜곡을 양호하게 보정할 수 있다.
이에 따라 항상 고품위 주사 화상을 표시할 수 있는 광 주사장치를 달성할 수 있다.
또한, 투영 거리에 의존하지 않고 등속 주사성이나 주사 왜곡을 동시에 보정 할 수 있기 때문에, 제1 실시예의 광 주사장치를 프론트 프로젝터 등의 투영 장치에 사용했을 경우, 효과를 더 발휘할 수 있다.
제1 실시예에서는, 2차원 주사 광학계(106)를 구성하는 미러(106a, 106b) 및 렌즈(106c)는, 평면 베이스의 자유 곡면을 사용했지만, 이것에 제한되지 않으며, 예를 들면, 구면 베이스의 자유 곡면이나, 포물선 베이스의 자유 곡면을 이용해도 효과를 충분하게 얻을 수 있다.
도 20은 본 발명의 주사형의 화상 표시장치의 개요도를 나타낸다.
도 20에 있어서, 광원 유닛(101)으로부터 방출된 광 빔은 집광 렌즈(102) 및 집속 광학계(104)를 통해서 주사 유닛(105)에 입사한다. 수평 주사 미러(105a)와 수직 주사 미러(105b)가 배치되어 있는 주사 유닛(105)은 입사한 광 빔을 2차원 방향으로 주사할 수 있게 구성되어 있다. 주사 유닛(105)에 의해 편향된 광 빔은 2장의 미러(106a, 106b) 및 1장의 렌즈(106c)로 구성되는 2차원 주사 광학계(106)를 통해서 스크린이나 벽 등의 피주사면(107)을 향한다. 광원 유닛(101)으로부터 방출된 광 빔은 집광 렌즈(102), 집속 광학계(104), 및 2차원 주사 광학계(106)에 의해 피주사면(107) 위에 대략 집광되어, 피주사면(107) 위에 광원 상(스폿)을 형성하도록 구성되어 있다. 그리고, 주사 유닛(105)에 의해, 피주사면(107) 위의 광원 상이 광 주사되어, 2차원 화상을 형성한다.
주사 유닛(105) 중의 수평 주사 미러(105a)는 반도체 프로세스에 의해 형성된 마이크로 메카니컬 미러(micro mechanical mirror)이며, 기계적인 공진 동작에 의해 미러 면을 회전시키도록 구성되어 있다.
수직 주사 미러(105b)는 회전축을 갖는 스텝핑 모터 등의 모터로 구동되는 미러이다. 수평 주사 미러(105a) 및 수직 주사 미러(105b)는 각각 수평 구동부(114), 수평 구동 회로(119), 수직 구동부(115), 수직 구동 회로(120)에 접속되어 있다. 또한, 광원 유닛(101)은 광원 구동 회로(113)에 접속되어 있고, 광원 구동 회로(113), 수평 구동 회로(119), 수직 구동 회로(120)는 제어회로(121)에 접속되고 있으며, 제어회로(212)와 동기하여, 광원 유닛(101)의 발광 시간 및 주사 미러(105a, 105b)의 편향동작이 제어된다. 제어회로(121)에는, 도시하지 않은 신호 입력부로부터 영상신호가 입력되고, 그 입력 신호에 근거하여 제어회로(121)가 제어를 행한다.
도 20에서, 화살표 117은 수평 주사 미러(105a)의 회전 방향을 나타낸다. 수평 주사 미러(105a)에 의해 편향된 광 빔은 피주사면(107) 위에 광 주사되고, 그 광 빔은 도 20에 도시한 왕로 주사선(108) 및 귀로 주사선(109)과 같은 주사선을 형성한다.
화살표 118은 수직 주사 미러(105b)의 회전 방향을 나타낸다. 수직 주사 미러(105b)는 화살표(118)의 방향으로 회전함으로써, 피주사면(107) 위에 화살표 112의 방향으로 광 주사한다. 그 결과, 피주사면(107) 위에는 주사선(108, 109)과 같은 왕복한 주사선이 위에서 아래로 형성되어 있다. 피주사면(107)의 하단에 빔 스폿이 오면, 수직 주사 미러(105b)는 피주사면(107)의 상단까지 빔 스폿을 반환하고, 그 후 반복 주사를 행한다. 광 빔은 피주사면(107)의 유효부(110)의 외측까지 주사되고, 그 일부에 의해 광 검출되어 동기의 타이밍을 맞춘다.
예를 들면, 피주사면(107)의 유효부(110) 내에 형성된 화상이 수평 방향으로 800 화소를 갖고 수직 방향으로 600 화소를 갖는 SVGA의 화상이라고 가정한다. 수직 방향에서의 동작이 60Hz에서 구동되면, 수평 주사선의 수는 왕로 및 귀로에 대하여 각각 300이 되므로, 18KHz의 공진 주파수가 필요하게 된다. 즉, 제1 주사 방향보다도 제2 주사 방향의 구동 주파수가 낮다.
또, 도 20에서는 이해하기 쉽게 하기 위해서, 주사선을 추출한 것으로서 개요를 나타낸다.
도 21은 본 발명의 주사형의 화상표시장치의 다른 실시예의 주요부 개요도다.
도 21에 있어서, 휴대 기기(122)에는, 본체부(123)에 투사 표시부(124)가 접속되어 있다. 투영 표시부(124)에 제1 실시예의 2차원 광 주사장치가 탑재되어 있다. 휴대 기기(122)에는 입력부(125)가 있어, 모든 조작을 입력부(125)에서 수행하도록 구성되어 있다. 휴대 기기(122)에는 안테나(127)가 설치되어 있어, 데이터를 송수신할 수 있다. 본체부(123)에는, 액정 패널이나 유기 EL 등의 표시부(126)가 구비되어 있다. 문자 정보나 간단한 화상 등에 관해서는, 도면에 도시하지 않은 사용자가 휴대 기기(122)를 손으로 잡으면서, 표시부(126)를 직접 볼 수도 있다. 그러나, 보다 큰 화면을 통해서 관찰하고 싶을 경우나, 표시부(126)의 에어리어(area)로 볼 수 없는 경우에, 사용자의 조작에 의해 투사 표시부(124)로부터 화상을 투영할 수 있다. 예를 들면 벽 등의 피주사면(107)을 향해서 화상을 투사하여, 주사 화상(128)을 표시한다.
도 22는 본 발명의 주사형의 화상 표시장치의 다른 실시예의 주요부 개요도이다.
주사형 화상 표시장치(129)는 본체부(130), 헤드부(131), 및 접속부(132)의 3개의 구성요소로 구성되어 있다. 본체부(130)에는, 광원 유닛 및 집광 렌즈계가 수납되어 있고, 헤드부(131)에는, 집속 광학계, 주사 유닛, 및 2차원 주사 광학계가 수납되어 있다.
본체부(130)와 헤드부(131)를 접속하는 접속부(132)는 예를 들면 광 화이버로 구성되어, 광원 유닛으로부터 방출된 광 빔을 헤드부(131)로 공급한다. 이에 따라, 예를 들면 책상 등의 피주사면(107) 위에 주사선(108, 109)에 의해 묘사하여, 화상을 표시한다. 이때, 예를 들면 PDA와 같은 휴대 정보단말(133)과 주사형의 화상 표시장치(129)를 케이블(134)로 접속하면, 휴대 정보단말(133)의 작은 화면을, 주사형의 화상 표시장치(129)에 의해 투영된 큰 화면에서 볼 수 있다.
제2 실시예
도 23a는 제2 실시예의 광 주사장치에 있어서의 수평 주사 단면도이며, 도 23b는 그 수직주사 단면도이다.
도 23a 및 도 23b 중에서, 참조번호 201은 녹색 광을 방사하는 녹색 반도체 레이저(201a), 적색 광을 방사하는 적색 반도체 레이저(201b), 및 청색 광을 방사하는 청색 반도체 레이저(201c)의 3색의 레이저로 이루어지는 광원 유닛을 나타낸다. 광원 유닛(201)으로부터 방출된 3색의 발산 광 빔은 각각 대응하는 집광 렌즈(202a, 202b, 202c)에 의해 평행한 광 빔으로 변환되고, 개구 스톱(203a, 203b, 203c)에 의해 각각의 광 빔 폭을 제한시킨다. 그 후에, 적색, 녹색, 청색의 레이저 빔은 빔 합성 수단인 다이클로익 프리즘(208)에 의해, 1개의 백색 광 빔에 합성된다.
합성된 백색 광 빔은 집속 광학계(204)에 의해 원하는 집속도를 가진 집속 광 빔으로 변환되어, 후술하는 주사 유닛(205)에 입사하는 입사 광 빔이 된다. 참조번호 205는 2차원 주사 유닛을 나타내며, 제1 실시예와 같이, 수평 주사 방향으로 정현파 구동하는 MEMS 미러(제1 편향기)(205a)와 수직 주사 방향으로 등각 속도로 삼각파 구동하는 편향 미러(제2 편향기)(205c)로 구성된다.
2차원 주사 유닛(205)은 예를 들면 반사면을 가지며 2차원 방향으로 공진 가능한 1개의 편향기로 구성되어도 된다.
광원 유닛(201)으로부터 방출된 광 빔은 주사 유닛(205)에 의해 수평 주사 방향 및 수직 주사 방향으로 주사된다. 여기에서 수평 주사 방향의 주파수를 높게 설정하고, 수직 주사 방향의 주파수를 낮게 설정하여, 주사선을 수평 주사 방향으로 묘사한다.
참조번호 206은 3장의 미러(206a, 206b, 206c)로 구성되는 2차원 주사 광학계를 나타내며, 주사 유닛(205)에 의해 2차원 방향으로 주사된 광 빔의 상을 피주사면(207) 또는 그 근방에 스폿으로서 결상시킨다.
그리고, 주사 유닛(205)에 의해 주사 편향된 광 빔이 2차원 주사 광학계(206)를 통해서 피주사면(207) 위에 도광되고, 스크린인 피주사면(207) 위에 광 주사한다. 이렇게, 주사 유닛(205)에 의해 2차원 방향으로 광 주사를 행함으로써, 스 크린(주사면)(207) 위에 2차원 화상을 표시한다.
제2 실시예는 제1 실시예와 마찬가지로, 기준 광 빔(Lvc)이 스크린(207)에 대하여 경사지게 입사하는 수직 주사 방향에서, 제1 미러(206a) 및 제2 미러(206b)를 기울여서, 광 빔의 광로를 폴드한다.
도 24는 제2 실시예의 광원 유닛의 주요부 개요도다.
녹색 반도체 레이저(201a)로부터 방출된 발산 광 빔은 콜리메이터 렌즈(202a)에 의해 대략 평행한 광 빔으로 변환되고, 개구 스톱(203a)에 의해 광 빔 폭을 제한시켜 다이클로익 프리즘(208)으로 입사한다. 또한 적색 반도체 레이저(201b)로부터 방출된 발산 광 빔도 마찬가지로, 콜리메이터 렌즈(202b)에 의해 평행한 광 빔으로 변환되고, 개구 스톱(203b)에 의해 광 빔 폭을 제한시켜 다이클로익 프리즘(208)으로 입사한다. 이때, 다이클로익 프리즘(208)에 의해 녹색 광 빔과 적색 광 빔이 합성되어, 노란색 광 빔이 형성된다. 청색 반도체 레이저(201c)도 마찬가지로 콜리메이터 렌즈(202c)에 의해 평행한 광 빔으로 변환되고, 개구 스톱(203c)에 의해 광 빔 폭을 제한하여 다이클로익 프리즘(208)으로 입사한다. 그리고, 노란색 광 빔과 청색 광 빔이 합성되어, 백색 광 빔을 형성한다. 백색 광 빔은 주사 유닛(205)으로 인도된다.
제 2 실시예는 제1 실시예와 마찬가지로, 경사 투영 방식에 의해 스크린(207위)에 주사 화상을 표시한다. 이때, 기준 광 빔(Lvc)이 스크린(207)에 대하여 수직 주사 방향으로 19.7(deg)로 입사한다. 스크린(207)의 상부에 도달하는 광 빔(Lvu)이 스크린(207)으로 입사하는 각도 θvu는 34.7(deg)이며, 스크린(207)의 아래쪽에 도달하는 광 빔(Lvi)이 스크린(207)으로 입사하는 각도 θvi은 0.47(deg)이다.
또한, 광원 유닛(201)으로부터의 입사 광 빔은 수직 주사 방향에 있어서 제1 편향기(205a)의 반사면에 대하여 입사각 20(deg)으로 경사지게 입사하고, 제1 실시예와 비교해서 편향 가능한 광 빔 폭을 넓게 한다.
이렇게, 스크린(207)에 대하여 기준 광 빔(Lvc)이 경사지게 입사하는 주사 방향과, 기준 광 빔(Lvc)이 주사 유닛(205)에 대하여 경사지게 입사하는 주사 방향을 동일한 주사 방향으로 함으로써, 2차원 주사 광학계(206)에 의해 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡을 쉽게 보정할 수 있다.
제2 실시예에서는, 광원 유닛(201)에 적색, 녹색, 청색의 3색의 레이저 광 빔이 발진되고, 각각의 영상 신호에 의거하여 광변조를 행하고, 스크린(207) 위에 칼라 화상을 표시한다.
칼라 화상을 표시할 때, 색상의 오표시(misregistration)가 생겨서 화질을 열화시키는 문제가 있다. 특히, 2차원 주사 광학계(206)가 플라스틱 렌즈만으로 구성되어 있는 경우, 플라스틱의 분산 범위가 좁기 때문에 색 수차의 보정이 어렵고, 색상의 오표시의 문제가 상당히 발생한다. 그러나, 본 실시예의 2차원 주사 광학계(206)는 3장의 미러(206a, 206b, 206c)로 구성되어 있기 때문에, 색 수차가 발생하지 않으므로, 칼라 화상의 색상의 오표시가 발생하지 않는다고 하는 장점이 있다.
이와 같이, 복수의 파장을 발생시키는 광원 유닛(201)을 사용한 경우에는, 2차원 주사 광학계(206)에 복수의 주사 미러를 사용하는 것이 바람직하므로, 항상 색상의 오표시가 발생하지 않는 고품위의 화상을 표시할 수 있다. 물론, 2차원 주 사 광학계(206)에 렌즈를 설치해도 실질적으로 색 수차를 제어하는 것이 가능하다. 이 경우, 제1 실시예의 렌즈(106c)와 마찬가지로, 피주사면 측에 오목의 메니스커스 형상을 가지며 거의 어떠한 파워도 갖지 않도록 주사 렌즈를 구성하면, 색수차를 작게 제어할 수 있어 유효하다.
표 4는 제2 실시예에 있어서의 2차원 주사 광학계(206)의 구성의 수치 예를 나타낸다.
제2 실시예의 2차원 주사 광학계(206)에 있어서도, 3개의 미러(206a, 206b, 206c)는 수직 주사 방향으로 시프트 및 틸트되어 배치된다. 그 반사면의 형상은 수평 주사 방향에 있어서는 중심에 대하여 대칭이고, 수직 주사 방향에 있어서는 비대칭한 회전 비대칭면이다.
이에 따라, 2차원 주사에 의해 발생한 TV 디스토션, 경사 투영에 의해 발생한 사다리꼴 왜곡, 및 경사 입사에 의해 발생한 주사선의 만곡 등의 주사 왜곡을 양호하게 보정한다.
도 25는 제1 미러(206a)의 반사면의 형상을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 26은 제2 미러(206b)의 반사면의 형상을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 27은 제3 미러(206c)의 반사면의 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 28은 제1 미러(206a)에 있어서의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타내고, 도 29는 제2 미러(206b)에 있어서의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타내며, 도 30은 제3 미러(206c)에 있어서의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타낸다.
제1 미러(206a)의 면 형상에 관하여 설명한다.
제1 미러(206a)는 면 내의 z 좌표의 마이너스 측으로부터 광 빔이 입사해서 마이너스 측으로 출사하는 반사면이다.
도 25에 도시한 바와 같이, 수평 주사 방향에 있어서, 중심은 철면 형상이며 주변을 향하여 서서히 볼록한 형상으로부터 평면이 되고, 더 나아가서 요면으로 변한다. 또한 도 28에 도시한 바와 같이, 2차 미분값은 수평 주사 방향에 있어서 중심이 포지티브이며 주변을 향하여 감소하고, 제로(zero)를 통과한 후에 네가티브가 된다. 이러한 면은 평면인데, 그 형상은 철면에서 평면으로 변하고, 그 후에는 요면으로 된다.
제2 미러(206b)도 면 내의 z 좌표의 마이너스 측에서 광 빔이 입사해서 마이너스 측으로 출사하는 반사면이다.
제2 미러(206b)는 도 26에 도시한 같이, 수평 주사 방향에 있어서 중심이 요면 형상이며, 주변을 향하여 서서히 평면이 되고, 더 나아가서 철면으로 변한다. 도 29에 도시한 바와 같이, 2차 미분값은 수평 주사 방향에 있어서 중심이 네가티브이며, 주변을 향하여 서서히 증가하고, 제로를 통과한 후에는 포지티브가 된다. 이러한 면에서는, 수평 주사 방향의 중심에서 주변으로 향함에 따라 광 빔을 외측으로 향하게 하는 작용이 커진다. 또한 이 형상은 수직 주사 방향으로 연속적으로 정렬된 면 형상이다. 즉, 제2 미러(206b)의 반사면은 "2차원 아크사인 보정면"이며, 스크린(207) 위의 모든 주사선의 광 주사 속도를 일정한 속도로 보정하는 효과를 갖는다.
제3 미러(206c)는 면 내의 z 좌표의 플러스 측에서 광 빔이 입사해서 플러스 측으로 출사하는 반사면이다. 도 27에 도시한 바와 같이, 반사면은 주로 수직 주사 방향에서 철면을 갖고, 광 빔을 수직 주사 방향으로 확산시킨다. 또한, 수평 주사 방향의 주변부에서 수평 주사 방향이 요면으로 되어 있고 수평 주사 방향의 주변부에 도달하며 수직 주사 방향으로 배열된 광 빔을, 수평 주사 단면에서 보았을 때에 같은 광로를 통과하도록, 제3 미러(106c)에 입사하는 광 빔의 방향이 정렬된다. 이에 따라 스크린(207) 위의 종선의 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡을 보정할 수 있다.
도 31은 제2 실시예의 광 주사장치에 있어서의 피주사면 위의 주사 속도 비를 나타낸다.
도 31은 주사 화상의 중앙 부근을 통과하는 주사선에 관한 주사 속도 비를 나타내고, 거기서 주사선 전체에 걸쳐서 광 주사속도가 거의 일정해서, 그 오차는 최대 1.56(%)이다.
도 32는 제2 실시예의 광 주사장치에 있어서의 피주사면 위의 주사 속도 비를 나타낸다.
도 32는 주사 화상의 하단(수직 0% 상고), 하간(bottom middle)(수직 25% 상고), 중앙(수직50% 상고), 상간(upper middle)(수직 75% 상고), 및 상단(수직 100% 상고)을 통과하는 5개의 주사선에 대한 주사 속도 비를 나타낸다. 이때, 주사 속도 비의 오차는 최대 5.78(%)이고, 수평 주사 방향의 광량 분포의 균일화에 있어서 충분하게 보정될 수 있다.
이와 같이, 제2 실시예에 있어서의 광 주사 장치에서, 아크사인 보정면을 사 용함으로써 수평 주사 방향의 화상 묘사 영역 전체에 걸쳐서 양호하게 아크사인 보정이 행해진다.
도 33은 제2 실시예의 광 주사장치에 있어서의 주사 화상(격자)을 나타내고, 표 5는 TV 디스토션과 사다리꼴 왜곡의 값을 나타낸다.
도 33에 도시한 바와 같이, 제2 실시예의 광 주사 장치에서는, 2차원 주사 광학계(206)를 이용하여, TV 디스토션이나 사다리꼴 왜곡을 양호하게 보정한다. TV 디스토션은 상변이 -0.07(%), 하변이 0.02(%), 좌변이 -0.02(%), 우변이 0.02(%)로 매우 작은 만곡으로 보정되어 있다. 또한 사다리꼴 왜곡은 상변 및 하변이 0.00(%), 좌변이 -0.08(%), 우변이 0.08(%)로 매우 작은 왜곡으로 보정되어 있다. 이렇게, 2차원 주사 광학계(206)를 사용함으로써, 주사 화상의 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡을 양호하게 보정할 수 있고, 항상 고품위의 화상을 피주사면(207) 위에 표시할 수 있다.
제2 실시예와 같이, 2차원 주사 광학계(206)에 1개의 아크사인 보정면을 사용함으로써, 1개의 주사 방향에서의 등속 주사성을 확보할 수 있다. 또한 경사 투영을 수행시키는 주사 방향으로 광로를 폴드하도록 2장의 회전 비대칭 반사면을 편심 배치시킴으로써 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡 등의 주사 왜곡을 양호하게 보정할 수 있다. 이때, 2장의 회전 비대칭 반사면을 아크사인 보정면과는 별도로 설치하면, 아크사인 보정 기능과 주사 왜곡 보정 기능을 독립적으로 보정할 수 있으므로, 양호하게 보정하는 것이 가능하다.
또한, 아크사인 보정을 수행하는 주사 방향과는 다른 주사 방향으로부터 경 사 투영이 수행되면, 아크사인 보정과 주사 왜곡 보정을 독립으로 보정할 수 있기 때문에, 양호한 주사 화상을 획득할 수 있다.
또한, 제2 실시예와 같이, 1차원 방향으로 주사하는 2개의 편향기를 조합해서 2차원 주사 유닛(205)을 구성하는 경우에, 정현파 구동하는 편향기를 광원 유닛(201) 측에 배치하면, 아크사인 보정을 용이하게 수행할 수 있어 좋다.
또한, 광원 유닛(201)으로부터의 광 빔을 주사 유닛(205)의 반사면으로 입사할 때, 광 빔이 스크린(207)에 대하여 경사지게 입사되는 주사 방향과 동일한 주사 방향으로부터 광 빔을 경사지게 입사시킴으로써, 2차원 주사 광학계(206)에 의해 주사 화상의 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡을 양호하게 보정 할 수 있다.
제2 실시예에 있어서도, 경사 입사의 방향은 수직 주사 방향이며, 주사 유닛(205)으로부터 2차원 주사 광학계(206)까지의 광로에서 보았을 때, 기준 광 빔(Lvc)에 대하여 스크린(207)으로의 입사각이 작은 광 빔이 통과하는 측(도면에 상측)으로부터, 입사 광 빔을 편향수단(205)으로 경사 입사시킨다. 이것에 의해, TV 디스토션을 더 양호하게 보정한다.
제2 실시예에서는, 수직 주사 방향에 있어서 기준 광 빔(Lvc)이 스크린(207)으로 경사지게 입사한 경사 투영을 행한다. 제1 주사 방향인 수평 주사 방향의 화각은 θd1 = ±18.9(deg)이고, 제2 주사 방향인 수직 주사 방향의 화각은 θd2 = ±9.00(deg)이며, 주사 화상의 수평 주사 방향의 폭은 Wi1 = 286.67(mm)이고, 제2 주사 방향의 폭은 Wi2 = 215.04(mm)이므로, θd1/θd2는 아래의 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112005075646412-pat00011
이 식은 θd1/θd2이 조건식(3)을 만족한다는 것을 의미한다. 이렇게, 제2 주사 방향인 수직 주사 방향의 화각을 작게 설정함으로써, 2차원 주사 광학계(206)의 소형화를 도모할 수 있다. 수평주사 방향에 대하여 수직 주사 방향의 화각을 작은 비율로 설정함으로써, 수직 주사 방향의 실질적인 촛점 거리를 짧게 설정하여, 주사 화상의 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡 등의 주사 왜곡의 보정을 쉽게 한다. 2차원 주사 광학계(206)의 수평 주사 방향의 폭을 Dx, 수직 주사 방향의 폭을 Dy, 수평 주사 방향 및 수직 주사 방향에 수직한 Z축 방향의 폭을 Dz라고 했을 때, Dx = 34.21(mm), Dy = 26.26(mm), Dz = 45.32(mm)이며, 이들 값은 조건식 (4)~(6)을 만족한다.
이들 식에 의해, 광 주사장치가 콤팩트하게 되고, 이 광 주사장치를 탑재한 화상 표시장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 제2 실시예에 있어서의 2차원 주사 장치에서는, 2차원 주사 광학계(206)를 미러만으로 구성했기 때문에, 색 수차가 발생하지 않고, 복수의 파장을 방출하는 광원 유닛(201)을 사용한 경우에도 항상 색상의 오표시가 없는 칼라 화상을 표시할 수 있다.
광원 유닛(201)에 사용하는 반도체 레이저는, 예를 들면 적외 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 빔을, 분극 반전 구조를 구비한 광학 결정으로 입사시키고 파장을 절반으로 변환해서 녹색이나 청색의 레이저 빔을 발생시키는 파장 변환 레이저를 이용해도, 제2 실시예와 마찬가지로 본 발명의 효과를 충분하게 얻을 수 있다.
제3 실시예
도 34a는 제3 실시예의 광 주사장치의 수평 주사 단면도를 나타내고, 도 34b는 그것의 수직 주사 단면도를 나타낸다.
도 34a 및 34b에 있어서, 광원 유닛(301)으로부터 방출된 발산 광 빔은 집광 렌즈(302)에 의해 평행한 광 빔 또는 대략 평행한 광 빔으로 변환되고, 더 나아가서 개구 스톱(303)에 의해 광 빔 폭을 제한한다. 개구 스톱(303)을 통과한 광 빔은 집속 광학계(304)에 의해 원하는 집속도를 가진 집속 광 빔으로 변환되고, 후술하는 주사 유닛(305)으로 입사하는 입사 광 빔이 된다. 주사 유닛(305)은 2차원 방향으로 주사 가능한 1개의 편향기로 구성되다. 이 2차원 주사 유닛(305)은 광원 유닛 (301)으로부터의 광 빔을 수평 주사 방향 및 수직 주사 방향으로 주사한다. 주사 유닛(305)은 고속 주사를 행하는 수평 주사 방향에서 정현파로 구동되고, 저속 주사를 행하는 수직 주사 방향에서 대략 등각 속도로 구동됨으로써, 2차원 래스터 스캔(raster scan)을 수행한다.
도 35는 제3 실시예의 주사 유닛(305)인 2차원 방향에서 공진 가능한 편향기의 주요부 개략도다.
도면에서, 반사면(305-1)은 토션 바(305-2)에 의해 지지되고, 중간 프레임(305-3)에 접속된다. 또한, 중간 프레임(305-3)은 토션 바(305-4)에 의해 지지되 고, 프레임(305-5)에 접속된다. 여기에, 토션 바(305-2)가 비틀어지면, 반사면(305-1)이 수평 주사 방향으로 편향되고, 토션 바(305-4)가 비틀어지면, 중간 프레임(305-3)에 의해 지지된 반사면(305-1)이 수직 주사 방향으로 편향된다. 이에 따라 편향기(305)는 반사면(305-1)을 2차원 방향으로 편향시킬 수 있다.
도 34a 및 34b에 있어서, 참조번호 306은 2차원 주사 광학계를 나타내며, 2장의 미러(306a, 306b)와 1장의 렌즈(306c)로 구성된다. 2차원 주사 광학계(306)는 2차원 주사 유닛(305)에 의해 반사된 광 빔의 상을 피주사면(스크린)(7) 위에 혹은 그 근방에 스폿으로서 결상시킨다. 주사 유닛(305)에 의해 주사 편향된 광 빔은 2차원 주사 광학계(306)를 통해서 피주사면(307) 위에 인도되고, 스크린인 피주사면(307)을 광 주사한다.
제3 실시예에 있어서도, 수직 주사 방향에 있어서 기준 광 빔(Lvc)이 스크린(307)으로 경사지게 입사하고, 입사각은 18.1(deg)이다. 또한, 스크린(307)의 상부에 도달하는 광 빔(Lvu)의 입사각 θvu는 33.0(deg)이며, 스크린(307)의 하부에 도달하는 광 빔(Lvl)의 입사각 θvl은 0.11(deg)이다.
도 36a 및 36b는 제3 실시예의 일부분의 주요부 개요도를 나타낸다.
제3 실시예에서는, 2차원 주사 광학계(306)는 2장의 미러(306a, 306b)와 1장의 렌즈(306c)로 구성된다. 광원 유닛으로부터의 광 빔은 평행한 광 빔이며, 집속 광학계인 집광 렌즈(304)에 의해 집속 광 빔으로 변환된다. 집속 광 빔은 2차원 주사 유닛(305)에 의해 반사되어, 평면 미러(309)에 의해 되돌아와, 2차원 주사 광학계(306)를 통해 피주사면(307)에 도달한다.
이 광 빔은 집광 렌즈(304)의 앞쪽 약 125(mm)에 자연 집속점을 갖는다. 집광 렌즈(304)로부터 2차원 주사 광학계(306) 중에서 피주사면(307)측에 가장 가깝게 위치된 광학 소자인 렌즈(306c)까지의 광로 길이는 중심 광 빔에서 55.1(mm)이고, 가장 긴 편향 광 빔의 경우에도 68.5(mm)이며, 집속 광 빔의 자연 집속점은 2차원 주사 광학계(306)와 피주사면(307) 사이에 위치된다.
표 6은 제3 실시예의 2차원 주사 광학계(306)의 구성의 각종 수치를 나타낸다.
제1 미러(306a), 제2 미러(306b), 렌즈(306c)의 입사면(306ci), 및 주사 렌즈의 출사면(306co)의 각 면은 식(a)으로 표현된 자유 곡면 형상이다. 더욱 이들 면은 수평 주사 방향에서 중심에 대하여 좌우 대칭이며, 수직 주사 방향에서 비대칭한 회전 비대칭면이다. 또한, 각 면은 수직 주사 방향으로 시프트 및 틸트되고, 수직 주사 방향으로 광 빔의 광로를 폴드하도록 배치되어 있다.
제3 실시예도 제1 및 제2 실시예와 마찬가지로 경사 투영 방식을 채용하고 있다. 2장의 회전 비대칭 반사면(306a, 306b)을 경사 투영을 수행하는 주사 방향으로 광 빔의 광로를 폴드하도록 배치함으로써, 주사 화상의 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡을 양호하게 보정할 수 있다.
또한, 광원 유닛(301)으로부터의 입사 광 빔을 주사 유닛(305)의 반사면으로 입사시킬 때, 경사 투영하는 주사 방향과 같은 주사 방향으로부터 입사시킴으로써, 2차원 주사 광학계(306)에 의해 주사 화상의 TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡을 양호하게 보정할 수 있다. 제3 실시예에 있어서의 경사 입사각은 28(deg)이다.
제3 실시예에 있어서도, 경사 입사의 방향은 수직 주사 방향이며, 주사 유닛 (305)으로부터 2차원 주사 광학계(306)까지의 광로에서 보았을 때, 기준 광 빔(Lvc)에 대하여 스크린(307) 쪽으로의 입사각이 작은 편향 광 빔(Lvl)이 통과하는 측(도 36b에서 하부)으로부터, 입사 광 빔을 주사 유닛(305)으로 경사지게 입사시킨다. 이것에 의해, TV 디스토션을 더욱 양호하게 보정한다.
도 37은 제1 미러(306a)의 형상을 나타내고, 도 38은 제2 미러(306b)의 형상을 나타낸다. 도 39a는 렌즈(306c)의 입사면(306ci)의 형상을 나타내고, 도 39b는 렌즈(306c)의 출사면(306co)의 형상을 나타낸다.
도 40은 제1 미러(306a)의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타내고, 도 41은 제2 미러(306b)의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타내며, 도 42a는 렌즈(306c)의 입사면(306ci)의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타내고, 도 42b는 렌즈(306c)의 출사면(306co)의 수평 주사 방향의 2차 미분값을 나타낸다.
도 42b에 도시한 바와 같이, 주사 렌즈(306c)의 출사면(306co)의 수평 주사 방향의 2차 미분값은 수평 주사 방향의 중심으로부터 주변 쪽으로 서서히 증가한다. 이것은 광 빔을 발산하는 방향이다. 그리고, 이러한 형상은 수직 주사 방향으로 정렬되어 있는 "2차원 아크사인 보정면"을 형성한다.
2차원 주사 유닛(305)은 수평 주사 방향으로 정현파 구동하고, 수평 주사 방향의 주변부에서는 광 주사 속도가 저하한다.
제3 실시예는 렌즈(306c)의 출사면(306co)을 "2차원 아크사인 보정면"으로 구성함으로써, 수평 주사 방향의 렌즈의 주변부로 광 빔을 더 전달하면 할수록, 그 진행 방향이 더욱더 외측으로 향하고, 주사 화상의 중심에서 주변으로 접근함에 따라 광 주사 속도가 서서히 증가한다.
도 43은 제3 실시예의 광 주사장치의 피주사면(307) 위의 주사 광의 주사 속도 비를 나타낸다. 이것은 스크린(307) 위에 표시된 화상의 중심을 통과하는 주사선에 대해서, 중심 부근의 광 주사속도에 대한 각 상고의 주사 속도 비를 나타낸다. 등속 주사성의 오차는 최대 0.25％이며, 주사선의 전영역에 걸쳐서 아크사인 보정을 적당하게 실현한다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 44는 제3 실시예의 광 주사장치의 피주사면(307) 위의 주사 광의 주사 속도 비를 나타낸다.
이것은 수직 주사 방향으로 배열된 주사선 중에서, 하단(상고 0%), 하간(상고 25%), 중앙(상고 50%), 상간(상고 75%), 상단(상고 100%)의 5개의 주사선에 있어서의 주사 속도 비를 나타낸다.
등속 주사성의 오차는 최대 0.84％이며, 어느 주사선에서도 등속 주사를 실현한다.
이와 같이, 렌즈(306)의 출사면(306co)에 "2차원 아크사인 보정면"을 사용함으로써, 주사 유닛의 정현파 구동에 의한 광 주사 속도와 "2차원 아크사인 보정면"에 의한 광 주사속도를 상쇄시켜서, 피주사면(307) 위의 광 주사 속도를 균일하게 보정한다. 이 형상을 수직 주사 방향으로 배열함으로써, 주사 화상을 묘사하는 모든 주사선에 대해서, 등속 주사를 실현한다.
이에 따라, 광량의 불균일이 없는 고품위의 2차원 주사 화상을 획득한다.
제3 실시예에서는 영상 신호가 100(MHz)의 고속 변조가 가능한 전기회로에 의해 공급되지만, 고속 변조라도 전기회로에 걸리는 부담은 크다. 이것에 더해서, 종래에는, 정현파 구동에 의해 생기는 주사 속도의 불균일성에 맞춰서 영상 신호를 동일하지 않은 간격으로 줄 필요가 있고, 또한 1/4 화소의 정밀도로 영상 신호를 제어할 필요가 있었기 때문에, 4배만큼의 주파수가 필요해서, 전기회로에 걸리는 부담은 방대하다.
제3 실시예에서는 2차원 아크사인 보정면의 효과에 의해, 주사 화상의 전 영역에 걸쳐서 고 정밀한 등속 주사 보정을 할 수 있으므로, 영상신호를 일정한 간격에서 주는 것이 가능해, 전기회로의 부담을 경감할 수 있다.
도 45는 제3 실시예의 광 주사 장치에 있어서의 주사 화상을 나타낸다.
주사 화상으로서 묘사된 격자가 동일한 간격으로 배열되어 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 종선은 동일한 간격으로 배열되어 있다.
이들은 1회의 수평주사 중에 동일한 시간 간격으로 광원을 점등시켜서 종선을 묘사한 것이고, 그 종선은 공간적으로 동일한 간격으로 배열되어 있기 때문에, 등속 주사성의 효과가 발휘된다.
또한, 표 17은 TV 디스토션과 사다리꼴 왜곡의 값을 나타낸다.
TV 디스토션은 상변에서 0.03%이고, 하변에서 0.00%이며, 좌변에서 0.01%이고, 우변에서 -O.01%이며, 사다리꼴 왜곡은 상단에서 0.00%이고, 하변에서 0.00%이며, 좌변에서 -0.01%이고, 우변에서 0.01%이며, TV 디스토션 및 사다리꼴 왜곡을 양호하게 보정한다.
또한, 제3 실시예의 광 주사장치에 있어서도, 제1 주사 방향인 수평 주사 방향에서의 화각을 θd1, 제2 주사 방향인 수직 주사 방향에서의 화각을 θd2, 피주사면 위에 표시된 화상의 제1 주사 방향에 있어서의 폭을 Wi1, 제2 주사 방향에 있어서의 폭을 Wi2라고 했을 때, θd2/θd1은 아래의 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112005075646412-pat00012
이것은 θd2/θd1이 조건식(3)을 만족한다는 것을 나타낸다.
이와 같이, 제2 주사 방향인 수직 주사 방향의 화각을 작게 설정하면, 경사 투영에 의한 사다리꼴 왜곡을 쉽게 보정할 수 있다. 또한, 2차원 주사 광학계(306)의 미러(306a, 306b)로 광로를 수직주사 방향으로 폴드할 경우에는, 2차원 주사 광학계(306)의 소형화를 도모할 수 있다. 2차원 주사 광학계(306)의 수평 주사 방향의 폭을 Dx, 수직 주사 방향의 폭을 Dy, 수평 주사 방향 및 수직 주사 방향에 수직한 Z축 방향의 폭을 Dz라고 했을 때,
Dx = 39.84 (mm)
Dy = 14.39 (mm)
Dz = 22.49 (mm)
그것은 식(4)~(6)을 만족한다. 또한, 주사 유닛(305) 중에서 피주사면(307)에 가장 가까운 위치로부터 2차원 주사 광학계(306)의 피주사면에 가장 가까운 위치까지의 Z축 방향의 거리를 Ld는,
Ld = 40.87 (mm)
이며, 그것은 식(7)의 조건을 만족한다.
이들 식에 의해, 2차원 주사 장치가 매우 콤팩트하게 되고, 이 2차원 주사 장치를 탑재한 화상 표시장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 2장의 자유 곡면 미러(306a, 306b)와 2차원 아크사인 보정면을 가진 렌즈(306c)를 2차원 주사 광학계(306)로서 사용함으로써, 2차원 등속 주사와 주사 왜곡 보정을 양립시킨다.
또한, 피주사면(307)에 근접하면 할수록, 각 화각의 편향 광 빔이 넓혀져서 광학면의 유효부가 더욱더 커진다. 이때, 반사면을 사용했을 경우에, 광로의 간섭을 회피하기 위해서 그리고 광로의 배치를 편심시킬 필요가 있기 때문에, 유효부의 크기가 주사 광학계(306)의 광축 방향(Z축 방향)의 사이즈에 큰 영향을 준다. 제3 실시예는 유효부의 크기의 영향을 거의 받지 않아, 주사 광학계를 콤팩트하게 구성한다.
또한, 렌즈(306c)를 메니스커스 형상으로 만듬으로써 광학적 파워를 제거하여 출사 방향만 자유롭게 설정할 수 있다. 따라서, 주사 광학계(306)의 최종면을 굴절면으로서 구성하고 그 면을 "2차원 아크사인 보정면"으로 함으로써, 효과적으로 아크사인 보정을 수행한다.
제3 실시예에 있어서는, 주사 광학계(306)의 피주사면(307)에 가장 가까운 측에 렌즈(306)를 배치한다. 렌즈(306c)의 출사면을 "2차원 아크사인 보정면"으로서 구성하고, 수평주사 방향에 있어서 피주사면(307)측으로 요면이 향한 메니스커스 형상으로서 구성한다.
이렇게 해서, 복수개 배열된 모든 주사선에 있어서, 등속 주사성을 정밀하게 실현하고, 광량의 불균일, 화소의 위치 어긋남, 및 주사 왜곡이 없는 항상 고품위의 2차원 주사 화상을 얻는다.
제3 실시예에 있어서의 광 주사 장치에서는, 기준 광 빔이 스크린에 경사져 입사하는 주사 방향에 있어서, 모든 광 빔이 스크린 위에 입사되는 각도를 0.00(deg)이상으로 했지만, 이것에 제한되는 것이 아니라, 마이너스의 각도로 입사된 편향 광 빔으로도 본 발명의 효과를 충분하게 얻을 수 있다.
도 46은 안구의 망막 위에 광 주사해서 화상을 표시하는 망막 주사형 표시장치의 개요도를 나타낸다.
제1 내지 제3 실시예에서는 프로젝터를 사용하는 2차원 주사 광학계를 가진 광 주사장치를 예로 들었지만, 이것에 제한되는 것이 아니라, 예를 들면 도 46에 도시한 화인더(finder) 및 HMD(Head Mounted Display)용의 망막 주사형 표시장치가 사용되어도 좋다. 도면에서, 참조번호 310은 본 발명의 광 주사장치이며, 피주사면으로서 기능하는 투과형 확산판(307) 위에 도시하지 않은 광원 유닛으로부터의 광 빔을 광 주사해서 주사 화상을 형성한다. 투과형 확산판(307)로부터의 확산 광 빔을 안 광학계(311)를 이용하여 관찰자의 눈(313)으로 도광하고, 눈동자(314)를 통해서 망막(315) 위에 결상시킨다.
이와 같이, 관찰자의 눈(313)에 있는 망막(315) 위에 광 주사해서 주사 화상을 표시한다. 이 망막 주사형 표시장치에, 본 발명의 광 주사장치를 이용해도 효과를 충분하게 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 정현파 구동하는 주사 디바이스를 사용하여 피주사면 위에 2차원적으로 광 주사할 때 피주사면 위에 고정밀도로 등속 주사하는 것이 가능한 광 주사장치를 제공할 수 있다.
Figure 112005075646412-pat00013
Figure 112005075646412-pat00014
Figure 112005075646412-pat00015
Figure 112005075646412-pat00016
Figure 112005075646412-pat00017
Figure 112005075646412-pat00018
Figure 112005075646412-pat00019
Figure 112005075646412-pat00020
Figure 112005075646412-pat00021
Figure 112005075646412-pat00022
Figure 112005075646412-pat00023
Figure 112005075646412-pat00024

Claims (16)

  1. 광원 유닛과,
    상기 광원 유닛으로부터의 광을 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 주사하고, 적어도 상기 제1 방향에서 정현파 구동하는 편향 면을 갖는 주사 유닛과,
    상기 주사 유닛에 의해 주사되는 광을 피주사면 상에 인도하는 광학 유닛을 구비하고,
    상기 광학 유닛은 광학적 파워를 갖는 렌즈를 포함하고 있고,
    그 렌즈가 갖는 광학 면의 면 형상을 나타내는 함수의 상기 제 1 방향에서의 미분을 2번 행하여 얻어지는 2차 미분 값이, 광속을 발산시키는 방향에서, 상기 제 1 방향의 중심으로부터 주변부로 향함에 따라서 서서히 큰 값을 갖고, 주변부에 가깝게 되는 만큼 2차 미분 값의 변화량이 커지게 되는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 면은 상기 제1 방향의 임의의 단면의 단면 형상을 나타내는 함수의 2차 미분값이 중심에서 주변부쪽으로 증가하는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 유닛은 상기 제1 방향에서 아크사인 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 편향 면의 상기 제1 방향에 있어서의 최대 편향 각을
    Figure 112005075646412-pat00025
    , 실제의 광 주사에 사용되는 편향 각의 최대 값을 θxmax라고 할 때,
    Figure 112005075646412-pat00026
    상기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 면은 회전 비대칭한 형상의 곡면인 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 면에서, 상기 제1 방향의 중심에서 주변으로 이동할 때의 상기 제1 방향의 단면 형상을 나타내는 함수의 2차 미분값의 변화량이, 상기 제2 방향의 중심에서 주변으로 이동할 때의 상기 제1 방향의 단면 형상을 나타내는 함수의 2차 미분값의 변화량보다 큰 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 면은 상기 광학 유닛 중에서 상기 피주사면 측에 가장 가까운 굴절 면인 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 면은 상기 광학 유닛 중에서 상기 피주사면 측에 가장 가깝게 배치된 굴절 광학 소자에 설치되고,
    상기 굴절 광학 소자는 제1 방향의 단면 형상이 상기 피주사면 측에 요면을 갖는 메니스커스 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 유닛은 회전 비대칭 형상의 복수의 반사면을 갖고,
    상기 복수의 반사면은 상기 주사 유닛으로부터의 광의 광로를 제2 방향으로 폴드하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    화각 중심 광 빔은 제2 방향의 면 내에서 상기 피주사면에 경사지게 입사하는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 방향에서의 전체 화각을 θd1, 상기 제2 방향에서의 전체 화각을 θd2, 상기 피주사면 위에 표시된 화상의 상기 제1 방향에서의 폭을 Wi1, 상기 제2 방향에서의 폭을 Wi2라고 할 때,
    Figure 112005075646412-pat00027
    상기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 유닛으로부터의 광은 상기 제2 방향의 면 내에서 상기 주사 유닛 의 편향 면에 경사지게 입사하는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원 유닛으로부터의 광은 상기 제2 방향의 면 내에서 상기 주사 유닛에서 상기 광학 유닛까지의 광로에서 보았을 때, 상기 피주사면으로의 입사각이 작은 측에서 상기 주사 유닛의 편향 면으로 경사지게 입사하는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 유닛은 네가티브의 광학적 파워를 갖고, 상기 광학 유닛에는 집속 광이 입사하는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 유닛의 상기 제1 방향의 폭을 Dx, 상기 광학 유닛의 상기 제2 방향의 폭을 Dy, 상기 광학 유닛의 상기 제1 방향 및 제2 방향에 수직한 제3 방향의 폭을 Dz라고 할 때,
    Dx ≤ 50(mm)
    Dy ≤ 30(mm)
    Dz ≤ 50(mm)
    상기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  16. 광원 유닛과,
    상기 광원 유닛으로부터의 광을 제1 방향 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 피주사면에 주사하고, 상기 제1 방향에서 정현파 구동하는 편향 면을 갖는 주사 유닛과,
    상기 주사 유닛에 의해 주사된 광을 상기 피주사면 위로 인도하는 광학 유닛을 구비하고,
    상기 광학 유닛은 상기 제1 방향에서 아크사인 특성을 갖고, 상기 제2 방향에서 f·tanθ 특성을 가지며,
    상기 제2 방향의 상기 주사 유닛의 구동 주파수는 상기 제1 방향보다 낮은 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
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