WO2012111698A1

WO2012111698A1 - 走査型画像表示装置及びその画像表示方法

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Publication number: WO2012111698A1
Application number: PCT/JP2012/053513
Authority: WO
Inventors: 浩今井
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-08-23
Also published as: JPWO2012111698A1; US9188846B2; US20130286362A1

Abstract

　走査型画像表示装置は、光源１と、光源１から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段３と、画像の画素毎に光源１からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する発光時間を走査手段３の走査角に応じて制御する制御手段１０と、を有する。

Description

走査型画像表示装置及びその画像表示方法

　本発明は、画像表示装置に関し、特に光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査型画像表示装置に関する。

　ハロゲンランプや高圧水銀ランプなどの白色光源から出射されたインコヒーレント光（例えば白色光）を、液晶ライトバルブなどの面状の表示素子に照射し、その表示素子からの出射光を、投射レンズによりスクリーンに拡大投射して画像を表示する投射型画像表示装置が知られている。

　上記の投射型画像表示装置において、光源として用いられているハロゲンランプや高圧水銀ランプなどの放電ランプは、電力の消費量が多いという問題がある。

　また、光源からの白色光からスペクトル幅の狭い赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の三原色の光を取り出すことで、高い色再現性を得ることが可能であるものの、スペクトル幅を狭くした分、光利用効率が低下して、投射画像が暗くなるという問題がある。

　なお、三原色に対応する各色のスペクトル幅を広く設定して、白色光源からの光を最大限に利用することで、光利用効率の向上を図ることができる。しかし、この場合は、三原色の色純度が低下し、高い色再現性が得られなくなる。加えて、色度域を広くすることも困難である。

　また、液晶ライトバルブなどの面状の表示素子を備える投射型画像表示装置は、どうしても大掛かりなものとなるため、装置の小型化が困難である。

　さらに、投射レンズからスクリーンまでの距離によっては、表示素子で形成された画像が投射レンズの焦点深度以内に投射されず、その投射画像のピントが合わない場合がある。この場合は、使用者は、投射レンズからスクリーンまでの距離に応じて、投射レンズのピントを調節する操作を行う必要がある。このようなピント調整操作は、使用者に対する利便性を損ねる。

　そこで、光源としてレーザー光源を用い、そのレーザー光源から出射されたレーザー光を２次元走査してスクリーンに投射することで画像を表示する走査型画像表示装置が提案されている（特許文献１、２参照）。

　図１Ａに、特許文献１に記載の投射型表示装置の構成を示す。

　図１Ａを参照すると、投射型表示装置は、光源１１１、１１２、１１３、色合成素子１１４、コリメータレンズ１１５、および光走査素子１１６、１１７を有する。

　光源１１１は赤色半導体レーザーであり、光源１１２は青色半導体レーザーであり、光源１１３は緑色固体レーザーである。ここで、緑色固体レーザーは、非線形光学結晶を用いて、赤外線半導体レーザーの出射光から第２高調波を取り出すことで緑色の光を得るものである。

　色合成素子１１４は、光源１１１～１１３からの赤、青、緑の各色の光を合成する。色合成素子１１４からの光束は、コリメータレンズ１１５を介して光走査素子１１６に入射する。

　光走査素子１１６は、水平方向の光走査を行う。光走査素子１１６からの光は光走査素子１１７に入射する。光走査素子１１７は、垂直方向の光走査を行う。

　上記の投射型表示装置によれば、コリメータレンズ１１５によってビームウェスト位置を被投影面に一致させることで、高精細な画像を表示することができる。

　図１Ｂに、特許文献２に記載の画像表示装置の構成を示す。

　図１Ｂを参照すると、画像表示装置は、光源部１０１Ｇと、光源部１０１Ｇからのビーム光を集光する集光光学系ＬＮ１と、この集光光学系ＬＮ１で集光した光ビームをスクリーン１１０に向けて反射する反射ミラー２０２とを有する。

　集光光学系ＬＮ１は、反射ミラー２０２とスクリーン１１０との中間位置よりも反射ミラー２０２から遠い位置においてビームウェストを形成する。これにより、反射ミラー２０２上でのビーム直径を小さくでき、かつ、スクリーン１１０上でのビーム直径の拡大を抑制することができるので、反射ミラー２０２の小型化を図ることができ、高精細な画像を表示することができる。

　上述した特許文献１、２に記載された装置において、光走査素子１１６や反射ミラー２０２として、マイクロメカニカルミラーが用いられる。

　以下に、一例として、特許文献２に記載されているマイクロメカニカルミラーを説明する。

　このマイクロメカニカルミラーは、ミラー面と、このミラー面がトーションバーを介して固定された第１の基板と、第１の基板と対向して配置された第２の基板と、第２の基板の第１の基板側の面に形成された磁性体よりなるコアとを有する。コアに生じる電磁力によってミラー面が回転共振状態となる。

　ミラー面を回転共振状態とする手段として、静電アクチュエータや電磁アクチュエータを用いることができる。

特開２００３－２１８００号公報特開２００７－１２１５３８号公報

　しかしながら、特許文献１、２に記載の装置には、以下のような問題がある。

　図２Ａに、ビームウェストが被投射面またはその近傍に配置される走査型の表示装置の主要部を示す。この主要部は、特許文献１、２に記載の装置の主要部に対応するものであって、光源１２１と、光源１２１から出射したレーザービームの進行方向に順に配置された集光レンズ１２２および走査ミラー１２３とからなる。

　被投射面１２４を集光レンズ１２２の焦点距離に対応する位置近傍に配置し、光源１２１から出射されたレーザービームを集光レンズ１２２で集光することで、被投射面１２４もしくは被投射面１２４の近傍にビームウェストを配置することができる。

　走査ミラー１２３の有効径（半径）をω、伝播距離をｚ、振幅値が最大値に対し1/eまで落ちる距離において形成されるビームウェスト半径をω₀とすると、以下の式１および式２の関係が成り立つ。ここで、λはレーザービームの波長、πは円周率である。ビーム開口数はω／ｚで与えられる。

　走査角θが０で、光路長Ｌ（０）にビームウェストを配置した場合の被投射面１２４におけるビーム径をω₀とする。光路長Ｌ（０）は、レーザービームの中心光線の光路における、走査ミラー１２３の面から被投射面１２４までの距離である。投射距離ｆは、集光レンズ１２２から被投射面１２４までの距離であり、集光レンズ１２２の焦点距離により決まる。集光レンズ１２２の主点から走査ミラー１２３の面までの距離をｄとすると、光路長Ｌ（０）は、投射距離ｆから距離ｄを差し引いた値である。

　走査角θを０より大きくした場合の、レーザービームの中心光線の光路における、走査ミラー１２３の面から被投射面１２４までの距離を光路長Ｌ（θ）とすると、光路長Ｌ（θ）は以下の式３により与えられる。

　走査角θを０より大きくすると、光路長Ｌ（θ）は光路長Ｌ（０）より大きくなるため、式１における伝搬距離ｚが増大し、その結果、ビーム径の値は、ω（Ｌ(０)）からω（Ｌ(θ)）に増大する（第１の現象）。

　また、走査角θを０より大きくした場合は、図２Ｂに示すように、被投射面１２４に対してレーザービームが斜めに入射し、被投射面１２４上でのビーム径ωが、以下の式４に従って大きくなる（第２の現象）。

　上記の第１および第２の現象のために、被投射面１２４上でのビーム径が大きくなり、その結果、画面の解像度が低下する。

　上記の解像度低下の問題について、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、さらに詳細に説明する。

　図３Ａおよび図３Ｂは、ビーム形状と画像解像力の関係を示す図である。ここで、ビーム形状は、光軸に垂直な断面上の波動の振幅分布の２乗、即ち強度分布で規定される。

　図３Ａに、ビーム直径と画素ピッチＰが等しい場合のビーム形状関数ｂ（ｘ）と、変調波形Ｍ(ｔ)の空間展開関数Ｔ（ｘ）の畳み込み関数Ｇ（ｘ）との関係を示す。なお、図３Ａにおいて、便宜上、変調波形Ｍ(ｔ)は省略している。

　空間展開関数Ｔ（ｘ）は、レーザービームが一定速度Ｖで走査されている場合、Ｔ(Ｖ・ｔ)＝Ｍ(ｔ)で定義される関数である。ここで、デューティ比を５０％として、発光時間Δｔおよび消光時間ΔｔがそれぞれＰ／Ｖとされる条件で、レーザービームを矩形波変調すると、空間展開関数Ｔ（ｘ）は、画素ピッチＰの２倍を周期とした矩形波空間分布となる。

　上記の条件において、ビーム形状関数ｂ（ｘ）がガウス関数の２乗である場合、表示画像となる畳み込み関数Ｇ（ｘ）の解像力コントラストＣは９１％となる。

　畳み込み関数Ｇ（ｘ）の最大値、最小値をそれぞれＩmax、Ｉminとすると、解像力コントラストＣは、以下の式５で表される。

　図３Ｂに示すように、例えば、ビーム直径が画素ピッチの４／３倍に広がった場合、畳み込み関数Ｇ（ｘ）の解像力コントラストＣは７１％となる。

　以上のように、特許文献１、２に記載の装置には、走査角の増大に伴ってスクリーン上のビーム径が拡大するために、画面の周辺部における解像度が低いという問題がある。

　なお、ビームウェストをより小さく絞ることで、画面全体で高精細な画像を得ることができる。しかし、ビームウェストを小さく絞るためには、走査ミラーの有効径を大きくし、かつ、ビームの開口数を大きくする必要がある。また、表示画素数を増やすために、走査角度を大きくする必要がある。

　マイクロメカニカルミラー等の共振型走査ミラーにおいて、ミラー面の有効径を大きくすると、ミラー面の慣性モーメントが増大するため、ミラー面の共振振動の駆動力を発生する静電アクチュエータや電磁アクチュエータの駆動電流を増やす必要がある。このため、消費電力が大きくなる。

　また、共振型走査ミラーにおいては、走査角度が大きくなると、トーションバー（ヒンジ）が破断する場合があり、装置の耐久性、信頼性の確保が困難である。

　本発明の目的は、上記の問題を解決し、走査角の増大に伴って被投射面上のビーム径が拡大した場合の解像力の低下を抑制することができる、走査型画像表示装置およびその画像表示方法を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、固体光源と、前記固体光源から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段と、前記画像の画素毎に前記固体光源からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記走査手段の走査角に応じて制御する制御手段と、を有する走査型画像表示装置が提供される。

　本発明の別の態様によれば、光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御する、画像表示方法が提供される。

　本発明の他の態様によれば、焦点距離が可変の可変焦点レンズを備え、該可変焦点レンズからの光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御し、かつ、前記可変焦点レンズの焦点距離を前記走査角に応じて制御する、画像表示方法が提供される。

特許文献１に記載の投射型表示装置の構成を示す模式図である。特許文献２に記載の画像表示装置の構成を示す模式図である。ビームウェストが被投射面またはその近傍に配置される走査型の表示装置の主要部を示す模式図である。図２Ａに示す表示装置における、走査角を０より大きくした場合の、被投射面上でのビーム直径の変化を示す模式図である。ビーム直径と画素ピッチが等しい場合のビーム形状と画像解像力の関係を説明するための図である。ビーム直径が画素ピッチの４／３倍に広がった場合のビーム形状と画像解像力の関係を説明するための図である。本発明の第一の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。図４に示す走査型画像表示装置にて用いられる、走査角に対する光路長差および斜め投射によるビーム広がりを示す特性データの一例を示す特性図である。図４に示す走査型画像表示装置における走査角と変調波形信号の関係を示す模式図である。図４に示す走査型画像表示装置にて用いられる変調波形信号のデューティ比の変化を示す特性図である。図４に示す走査型画像表示装置にて用いられる変調波形信号の一例を示す波形図である。走査角に応じた変調制御なしで、ビーム直径が画素ピッチの4/3倍まで広がった状態における、ビーム形状関数ｂ（ｘ）と空間展開関数Ｔ（ｘ）と畳み込み関数Ｇ（ｘ）との関係を示す特性図である。走査角に応じた変調制御を適用した場合の、ビーム直径が画素ピッチの4/3倍まで広がった状態における、ビーム形状関数ｂ（ｘ）と空間展開関数Ｔ（ｘ）と畳み込み関数Ｇ（ｘ）との関係を示す特性図である。一定速度で走査した場合のビーム形状と変調信号の関係を説明するための図である。一定速度で走査し、ビーム直径が画素ピッチより大きくなった場合の、ビーム形状と変調信号の関係を説明するための図である。一定速度で走査し、ビーム直径が画素ピッチより大きくなった場合で、レーザービームの発光時間を短くして変調制御を行った場合の、ビーム形状と変調信号の関係を説明するための図である。本発明の第二の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。図９に示す走査型画像表示装置における可変焦点レンズの焦点距離の変化とビーム直径の変化を示す模式図である。図９に示す走査型画像表示装置における、走査角θを増大させた場合の可変焦点レンズの状態を示す模式図である。図９に示す走査型画像表示装置における、走査角θが０である場合の可変焦点レンズの状態を示す模式図である。

１　光源
２　集光レンズ
３　走査手段
４　レーザー変調手段
５　変調波形・出力算出手段
６　ルックアップテーブル
７　映像信号
８　同期信号

　次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第一の実施形態）
　図４は、本発明の第一の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。

　図４を参照すると、走査型画像表示装置は、リアプロジェクションタイプのものであって、光源１、集光レンズ２、走査手段３、ルックアップテーブル６、制御手段１０、および被投射面９を有する。走査手段３から被投射面９までの距離は固定である。

　制御手段１０は、走査型画像表示装置全体の動作を制御するものであって、レーザー変調手段４および変調波形・出力算出手段５を有する。

　外部装置からの映像信号７は、変調波形・出力算出手段５に供給される。映像信号７による画像の表示における垂直同期および水平同期をとるための同期信号８は、外部装置から変調波形・出力算出手段５および走査手段３に供給される。外部装置は、例えばパーソナルコンピュータ等の映像供給装置である。

　光源１は、半導体レーザーに代表される固体光源である。光源１からのレーザービームの進行方向に、集光レンズ２および走査手段３がこの順番で配置されている。集光レンズ２は、光源１からのレーザービームを集光する。

　走査手段３は、マイクロメカニカルミラーに代表される共振型走査ミラーである。走査手段３は、同期信号８に従って、集光レンズ２で集光されたレーザービームを走査して被投射面９上に画像を表示する。走査手段３が水平方向および垂直方向の２次元の走査を行う場合、水平方向の走査は水平同期信号に基づいて行われ、垂直方向の走査は垂直同期信号に基づいて行われる。

　ルックアップテーブル６は、走査角に対する光路長差および斜め投射によるビーム広がり（ビーム径の変化）を示す特性データを格納する。この特性データは、前述した式１乃至４に基づいて算出することができる。

　例えば、特性データは、走査角θが０°～最大角度θmaxまでの範囲において、走査角θを段階的に変化させた場合の、走査角毎のビーム広がり（ビーム径の変化）を示すデータをテーブル化したものである。走査角のステップ幅は例えば０．５°であるが、これに限定されない。走査角のステップ幅は適宜に設定可能である。

　ビーム広がりのデータは、図２Ａに示した光路長Ｌ（θ）と光路長Ｌ（０）との差による影響と、図２Ｂに示した斜め投射による影響とを含む。図５に、そのようなビーム広がりのデータに基づく特性データの一例を示す。

　図５において、実線で示す曲線（２ω（Ｌ（θ）））は、図２Ａに示した光路長差の影響を含むビーム広がりを示す。また、破線で示す曲線（２ω（Ｌ（θ）／ｃｏｓθ））は、図２Ａに示した光路長差の影響および図２Ｂに示した斜め投射の影響を含むビーム広がりを示す。この破線で示す曲線に対応する特性データに基づいてルックアップテーブル６が作成される。

　図５に示した例では、走査角θが０のときの被投射面９上の照射位置を基準にして画面を２分割したものを想定しており、１／２画面サイズは１５０ｍｍ、１／２画素数は５１２、画素ピッチは２９３μｍ（画面サイズを画素数で割った値に相当する）である。また、走査手段３のミラー面上のビーム径ωは１ｍｍ、レーザービームの波長λは６４０ｎｍ、光路長Ｌ（０）は４００ｍｍ、走査角の最大振れ角は２０．５°である。この条件で、被投射面９上のビーム直径（破線：２ω（L（θ））/cosθ）は、走査角θが０のときに３４８μｍとなり、これは、画素ピッチの２９３μｍの約１．２倍である。また、走査角θが２０．５°のときのビーム直径は３７７μｍとなり、これは画素ピッチの２９３μｍの約１．３倍である。

　変調波形・出力算出手段５は、ルックアップテーブル６に保持されている特性データを、同期信号８に基づいて読み出す。特性データの読み出しと走査手段３による走査とを同期信号８と同期させることで、変調波形・出力算出手段５は、映像信号７に基づく画像の各画素に対する走査角を取得することができる。

　例えば、被投射面９の表示領域の左上を開始点とし、右下を終了点として、往復走査を上側から下側に向かって行った場合、同期信号８に含まれている垂直同期信号により開始点および終了点をそれぞれ判別することができ、また、各画素の位置（照射タイミング）は水平同期信号に基づいて判断することができる。各画素における走査角は予め分かっているので、各画素の走査角をそれぞれの位置（照射タイミング）から判断することができる。

　変調波形・出力算出手段５は、ルックアップテーブル６から読み出した特性データに基づいて、走査手段３の走査角に対応するビーム径を取得し、その取得したビーム径に基づいて変調時間を算出し、その算出結果に基づいて変調波形信号を生成する。さらに、変調波形・出力算出手段５は、映像信号７に基づいて強度変調信号を生成する。

　図６Ａに走査角と変調波形信号の関係を示す。この変調波形信号は、発光時間ｔ１と消光時間ｔ２とからなる変調時間Ｔが走査角θに応じて変化する変調波形を有する。発光時間ｔ１が１画素に相当する。

　被投射面９上でのレーザービームの走査速度が一定となるように、変調時間Ｔは、走査角θの増大に伴って短くなっている。

　図６Ｂに、変調波形信号のデューティ比の変化を示す。縦軸は変調デューティ比を示し、横軸は走査角θを示す。変調デューティ比は、発光時間ｔ１と消光時間ｔ２の比である。図６Ｂに示すように、走査角θが増大すると、変調デューティ比は小さくなる。

　また、図６Ｃに示すように、変調波形の振幅を走査角に応じて変化させてもよい。具体的には、走査角の増大に伴って変調波形の振幅を大きくする。これにより、画素あたりのレーザービームのエネルギーが一定になる。

　変調波形・出力算出手段５で生成された変調波形信号および強度変調信号は、レーザー変調手段４に供給される。なお、変調波形・出力算出手段５は、変調波形信号に強度変調信号を加算した変調信号（具体的には、図６Ｃに示した変調波形の振幅を映像信号７に基づいて変化させた信号）をレーザー変調手段４に供給してもよい。

　レーザー変調手段４は、変調波形・出力算出手段５からの変調波形信号に基づいて、光源１から出射されるレーザービームの発光時間を制御する。また、レーザー変調手段４は、変調波形・出力算出手段５からの強度変調信号に基づいて、光源１から出射されるレーザービームの強度を制御する。

　例えば、光源１が半導体レーザーである場合、レーザー変調手段４は、変調波形信号および強度変調信号に基づいて半導体レーザーへの電流供給（電流供給量および電流供給時間）を制御する。また、レーザー変調手段４が、光源１からのレーザービームを変調する変調器を有する場合は、変調波形信号および強度変調信号に基づいてその変調器の透過率を制御する。

　本実施形態の走査型画像表示装置によれば、走査角に応じてレーザービームの発光時間を制御することにより、走査角の増大に伴って被投射面９上のビーム径が拡大した場合でも、解像力を走査角の増大前の解像度（すなわち、走査角θが０である場合の解像度）で保つことができる。

　以下に、解像度が維持される原理を具体的に説明する。

　図７Ａは、レーザー変調手段４の制御なしで、ビーム直径が画素ピッチの4/3倍まで広がった状態における、ビーム形状関数ｂ（ｘ）と空間展開関数Ｔ（ｘ）と畳み込み関数Ｇ（ｘ）との関係を示す特性図である。ビーム形状関数ｂ（ｘ）、空間展開関数Ｔ（ｘ）および畳み込み関数Ｇ（ｘ）の定義については、前述したとおりである。

　図７Ａに示す例では、ビーム直径の拡大のために、畳み込み関数Ｇ（ｘ）の解像度コントラストＣは７１％となっており、画像の解像度が低い。

　図７Ｂは、レーザー変調手段４の制御を適用した場合の、ビーム直径が画素ピッチの4/3倍まで広がった状態における、ビーム形状関数ｂ（ｘ）と空間展開関数Ｔ（ｘ）と畳み込み関数Ｇ（ｘ）との関係を示す特性図である。

　図７Ｂに示す例では、レーザー変調手段４は、レーザービームの発光時間ｔ１が1/2Δtの値とされ、消光時間ｔ２が3/2Δtの値とされた変調波形信号に基づいて光源１からのレーザービームの発光時間を制御する。これにより、表示画像となる畳み込み関数G（x）の解像力コントラストCは９１％となり、ビーム直径が画素ピッチと同じである場合（図３Ａ)）と同等の解像力を得られる。

　例えば、図５の説明で示した条件で、レーザービームを変調すると、ビーム広がりが4/3倍（1.33倍）以内であれば、ビーム直径が画素ピッチに等しい場合と同等かそれ以上の解像力コントラストを得ることができる。

　以下、ビーム形状と変調信号の関係、および変調波形信号に基づく制御によるコントラストの改善効果について具体的に説明する。

　図８Ａは、速度Ｖで走査した場合のビーム形状と変調信号の関係を説明するための図である。

　図８Ａに示す例では、画素ピッチＰ（＝Ｖ・ｔ）毎にレーザービームがオン／オフ制御されるようになっており、その変調デューティ―比は５０％である。この場合の空間展開関数Ｔ（ｘ）は、Ｔ（Ｖ・ｔ）＝Ｍ（ｔ）で定義される。

　また、表示画像の畳み込み関数Ｇ（ｘ）は、ビーム形状関数ｂ（ｘ）と空間展開関数Ｔ（ｘ）との畳み込み積分で表わされる以下の式６で与えられる。ここで、Ｎは画素数を示す。

　上記の条件において、ビーム直径が画素ピッチＰより大きくなった場合、図８Ｂに示すように、表示画像の畳み込み関数Ｇ（ｘ）の解像力コントラストＣが低下する。

　そこで、本実施形態では、ビーム直径が画素ピッチＰより大きくなる場合は、レーザービームの発光時間ｔ１を短くするような変調制御を行う。

　図８Ｃに、そのような変調制御が行われた場合のビーム形状と変調信号の関係を示す。

　図８Ｃに示す例では、発光時間ｔ１はＰ／２の値とされ、消光時間ｔ２は（３／４）×Ｐの値とされている。この変調制御によれば、表示画像の畳み込み関数Ｇ（ｘ）の解像力コントラストＣは、図８Ａに示した場合と同等の値となる。

　以上のように、本実施形態の走査型画像表示装置によれば、走査角の増大に伴って被投射面上のビーム直径が拡大した場合の解像力の低下を抑制することができる。

　なお、ミラー直径を増大させることで、被投射面上のビーム直径を画素ピッチに相当する値とすることができる。しかし、この場合には、例えば、図５の説明で示した条件を適用した場合に、ミラー面上のビーム直径を１０００μｍから１３００μｍに拡大する必要がある（拡大率３０％）。この場合、回転軸と垂直な方向の慣性モーメントは、ミラー径の３乗に比例して大きくなり、少なくとも2.2倍の駆動力（トルク）が必要になり、その結果、消費電力が増大する。

　一般に、走査ミラー径を拡大する場合は、剛性を高めるためにミラーの厚さを増やすため、慣性モーメントはより一層大きくなる。このため、走査角度を大きくした場合は、より大きな駆動力を与える必要があり、その結果、慣性モーメントがトーションバーのねじり降伏点を超え、トーションバーが破断する場合がある。

　本実施形態の走査型画像表示装置によれば、走査手段３のミラー面の有効径を大きくすることなく、解像力コントラストを保つことができる。よって、慣性モーメントの大きな走査ミラーを作製する必要がなくなり、装置の耐久性、信頼性の確保が可能である。

　なお、本実施形態において、走査角θは、水平方向の走査角および垂直方向の走査角のいずれか一方または両方を意味する。前者の場合は、水平方向および垂直方向の一方に対に対して、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御が実施される。後者の場合は、水平方向および垂直方向のそれぞれの方向において、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御が実施される。

　また、ルックアップテーブル６には、光路長差に基づくビーム広がりと走査角との対応関係を示す第１の特性データと、斜め投射によるビーム広がりと走査角との対応関係を示す第２の特性データとの少なくとも一方を格納してもよい。

　第１の特性データがルックアップテーブル６に格納された場合は、図２Ａに示した光路長差の影響による解像度の低下を抑制することができる。第２の特性データがルックアップテーブル６に格納された場合は、図２Ｂに示した斜め投射の影響による解像度の低下を抑制することができる。

　また、集光レンズ２を削除し、走査手段３が、光源１からのコリメートされた光ビームを走査して被投射面９上に画像を表示してもよい。この場合は、図２Ｂに示した斜め投射の影響のみを光量すればよいので、ルックアップテーブル６には、第２の特性データのみが格納される。
（第二の実施形態）
　図９は、本発明の第二の実施形態の走査型画像表示装置の構成を示すブロック図である。

　本実施形態の画像表示装置は、集光レンズ２を可変焦点レンズ４１に置き換え、その可変焦点レンズ４１を制御するおよび焦点制御手段４２を追加した点で、第一の実施形態の走査型画像表示装置と異なる。

　変調波形出力算出手段５は、ルックアップテーブル６から取得した特性データに基づいて、走査手段３の走査角θに応じた焦点距離を算出し、その焦点距離算出結果を焦点制御手段４２に供給する。走査手段３の走査角θと可変焦点レンズ４１の焦点距離との関係は、前述した式３に基づいて算出することができる。

　変調波形出力算出手段５における焦点距離の算出およびその算出結果の送出は、同期信号８に同期して行われる。焦点制御手段４２は、変調波形出力算出手段５からの焦点距離算出結果に基づいて可変焦点レンズ４１の焦点距離を制御する。

　図１０Ａに、可変焦点レンズ４１の焦点距離の変化とビーム直径の変化を模式的に示す。焦点制御手段４２は、走査角θに応じて、可変焦点レンズ４１の焦点距離を制御する。

　図１０Ｂに、走査角θを増大させた場合の可変焦点レンズ４１の状態を示し、図１０Ｃに、走査角θが０である場合の可変焦点レンズ４１の状態を示す。

　図１０Ｂおよび図１０Ｃに示す可変焦点レンズ４１は、集光レンズ５５と発散レンズ５６とからなり、集光レンズ５５と発散レンズ５６の間隔δの調整が可能とされている。間隔δは、例えば、電磁アクチュエータを用いて調整する。なお、間隔δの調整手段としては、電磁アクチュエータ以外に、静電アクチュエータ等の各種アクチュエータを用いることができる。

　焦点制御手段４２は、走査角θが０である場合は、図１０Ｃに示すように、集光レンズ５５と発散レンズ５６の間隔δを所定値に設定する。この状態から走査角θが増大すると、焦点制御手段４２は、その変化に応じて、集光レンズ５５と発散レンズ５６の間隔δを所定値よりも小さくする。

　この制御によれば、走査角θの全角度範囲において、被投射面９上では、常に、ビームウェストが位置することになるので、光路長差の影響（図２Ａに示した第１の現象）を低減することができる。この結果、ビーム直径の広がりは、斜め投射による影響（図２Ｂに示した第２の現象）のみを含む。

　なお、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示した可変焦点レンズ４１の構成は一例であり、これに限定されるものではない。可変焦点レンズ４１は、焦点距離を変えることができるのであればどのような構成であってもよい。

　ルックアップテーブル６は、走査角の変化と斜め投射によるビーム広がりとの関係を示す特性データを格納する。ビーム広がりのデータは、図２Ｂに示した斜め投射による影響を含む。この特性データも、前述した式１乃至４に基づいて算出することができる。

　例えば、特性データは、走査角θが０°～最大角度θmaxまでの範囲において、走査角θを段階的に変化させた場合の、走査角毎のビーム広がりのデータをテーブル化したものである。走査角のステップ幅は例えば０．５°であるが、これに限定されない。

　変調波形・出力算出手段５は、ルックアップテーブル６に保持されている特性データを、同期信号８と同期して読み出す。変調波形・出力算出手段５は、ルックアップテーブル６から読み出した特性データに基づいて変調波形信号を生成するとともに、映像信号７に基づいて強度変調信号を生成する。

　本実施形態の走査型画像表示装置によれば、光源１から出射されるレーザービームの発光時間および強度が走査角に応じて制御されることにより、斜め投射によるビーム広がりの影響を抑制し、かつ、可変焦点レンズ４１の焦点距離が走査角に応じて制御されることにより、光路長差によるビーム広がりの影響を抑制することができる。よって、本実施形態の走査型画像表示装置においても、第一の実施形態と同様の作用効果を奏する。

　加えて、光路長差の影響を考慮する必要がないので、ルックアップテーブル６の特性データの作り込みが容易である。

　なお、本実施形態において、走査角θは、水平方向の走査角および垂直方向の走査角のいずれか一方または両方を意味する。前者の場合は、水平方向および垂直方向の一方に対に対して、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御と、走査角に応じた焦点距離の制御がそれぞれ実施される。後者の場合は、水平方向および垂直方向のそれぞれの方向において、走査角に応じた光ビームの発光時間および強度の制御と、走査角に応じた焦点距離の制御がそれぞれ実施される。

　上述した第一または第二の実施形態の走査型画像表示装置において、光源１として、赤色レーザー光源、緑色レーザー光源および青色レーザー光源を備える。各色のレーザー光源のビーム直径はいずれも、１０００μｍである。

　赤色レーザー光源は、波長が６４０ｎｍの半導体レーザーである。青色レーザー光源は、波長が４４０nmの半導体レーザーである。これら赤色レーザー光源および青色レーザー光源の変調は電流制御によって行う。

　緑色レーザー光源は、波長１０６４ｎｍの赤外レーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を利用するレーザー光源である。音響光学素子を用いて、緑色レーザー光源の変調を行う。

　集光レンズ２の焦点距離は４００ｍｍである。走査手段３は、水平走査を行う共振型マイクロメカニカル走査素子と、垂直走査を行う電磁駆動ガルバノミラーとを有する。

　共振型マイクロメカニカル走査素子は、周波数２７ｋＨｚの駆動信号に基づいて駆動され、その振れ角は±２０°である。共振型マイクロメカニカル走査素子は、周波数２７ｋＨｚでの駆動に耐えられる直径１５００μｍの円形ミラーを有する。

　電磁駆動ガルバノミラーは、周波数６０Ｈｚのノコギリ波駆動信号に基づいて駆動され、その振れ角は、±１５°である。電磁駆動ガルバノミラーは、１５００μｍ×６０００μｍの矩形ミラーを有する。

　水平方向が１０２４画素、垂直方向が７６８画素とされた画像精細度を有する。ただし、画像精細度は、この画素数に限定されるものはなく、他の画素数を適用してもよい。

　画面サイズは、投射距離４００ｍｍにおいて、水平方向が３００ｃｍ、垂直方向が２００ｃｍとされている。

　各色のレーザービームについて、走査素子と同期して画素クロック（１５．４ｎｓ）の１／１０以下の１ｎｓ単位で、発光タイミング・強度制御が行われる。

　本実施例の構成によっても、走査角の増大に伴って被投射面９上のビーム直径が拡大した場合においても解像力を保つことができた。また、走査ミラーの有効径を大きくせずに、解像力コントラストを保つことができた。さらに、慣性モーメントの大きな走査ミラーを作製する必要がないので、装置の耐久性、信頼性の確保が可能となった。

　本実施例において、緑色レーザー光源の変調は、赤外半導体レーザーを変調して第２高調波に変換する方法を用いてもよい。

　緑色レーザー光源として、ファイバーレーザーまたは半導体レーザーを用いてもよい。

　レーザーの強度変調手段として、グレーティング型ＭＥＭＳ変調器、導波路型変調器、電気光学結晶等、各種光変調器を用いてもよい。

　水平走査、垂直走査には、音響光学素子、電気光学結晶等を用いてもよく、また、フォトニック結晶を用いたプリズム等で触れ角を増大させる光学系を用いてもよい。

　水平走査および垂直走査の各素子のビーム偏向部（ミラー等）は、コリメートされたビーム直径より大きければ、どのようなサイズ・形状のものを用いてもよい。

　（他の実施形態）
　本発明の他の実施形態の走査型画像表示装置は、固体光源と、上記固体光源から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段と、上記画像の画素毎に上記固体光源からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する上記発光時間を上記走査手段の走査角に応じて制御する制御手段と、を有する。

　上記の構成によれば、走査角の増大に伴って被投射面上のビーム直径が拡大した場合の解像力の低下を抑制することができる。

　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

　この出願は、２０１１年２月１８日に出願された日本出願特願２０１１－０３３１８４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

　固体光源と、
　前記固体光源から出射された光ビームを走査して被投射面上に画像を表示する走査手段と、
　前記画像の画素毎に前記固体光源からの光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記走査手段の走査角に応じて制御する制御手段と、を有する走査型画像表示装置。
　前記走査角に対する前記被投射面上のビーム径の変化を示すデータが格納されたルックアップテーブルを、さらに有し、
　前記制御手段は、前記ルックアップテーブルを参照して、前記走査角に応じた前記ビーム径を取得し、該取得したビーム径に基づいて前記発光時間を算出する、請求項１に記載の走査型画像表示装置。
　前記制御手段は、
　前記ビーム径から算出した前記発光時間に基づいて前記光ビームを変調するための変調波形信号を生成する算出手段と、
　前記変調波形信号に基づいて、前記光ビームの変調制御を行う変調手段と、を有する、請求項２に記載の走査型画像表示装置。
　前記算出手段は、前記変調波形信号の空間展開関数の畳み込み積分値により求まる解像力コントラストが前記各画素において一定となるように前記変調波形信号を生成する、請求項３に記載の走査型画像表示装置。
　前記算出手段は、前記各画素における前記発光時間内に照射される光エネルギーが一定となるように前記変調波形信号の振幅を決定する、請求項３または４に記載の走査型画像表示装置。
　前記固体光源からの光ビームを集光する、焦点距離が可変の可変焦点レンズをさらに有し、
　前記制御手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離を前記走査角に応じて制御する焦点制御手段をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の走査型画像表示装置。
　前記焦点制御手段は、前記走査手段のいずれの走査角においても、前記可変焦点レンズの焦点が前記被投射面上に位置するように前記焦点距離を制御する、請求項６に記載の走査型画像表示装置。
　光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、
　前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御する、画像表示方法。
　焦点距離が可変の可変焦点レンズを備え、該可変焦点レンズからの光ビームを走査して被投射面に画像を表示する走査型画像表示装置において行われる画像表示方法であって、
　前記画像の画素毎に前記光ビームの発光時間を制御するとともに、各画素に対する前記発光時間を前記光ビームの走査角に応じて制御し、かつ、前記可変焦点レンズの焦点距離を前記走査角に応じて制御する、画像表示方法。