WO2022244571A1 - 光走査装置 - Google Patents

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WO2022244571A1
WO2022244571A1 PCT/JP2022/018037 JP2022018037W WO2022244571A1 WO 2022244571 A1 WO2022244571 A1 WO 2022244571A1 JP 2022018037 W JP2022018037 W JP 2022018037W WO 2022244571 A1 WO2022244571 A1 WO 2022244571A1
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WO
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mirror
optical
shielding plate
optical path
scanning device
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Application number
PCT/JP2022/018037
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English (en)
French (fr)
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義史 高尾
誠 櫻井
克紀 中澤
直也 松丸
篤 山本
ナズィルル アファム イドリス
Original Assignee
スタンレー電気株式会社
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Publication date
Application filed by スタンレー電気株式会社 filed Critical スタンレー電気株式会社
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Priority to CN202280035577.9A priority patent/CN117321470A/zh
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
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    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to an optical scanning device having a MEMS optical deflector.
  • Patent Document 1 discloses an optical scanning device including a MEMS optical deflector.
  • the optical scanning device is attached to one side temple of a spectacles-type head mount, and directs light from a MEMS optical deflector toward lenses and half mirrors arranged toward the front (front frame) of the spectacles. Scanning light is emitted, and an image is projected on the user's retina by the scanning light reflected by the half mirror.
  • a lens and a half mirror are mounted on the temple in addition to the optical scanning device, and the optical scanning device faces the half mirror with the lens interposed therebetween.
  • the emitted laser light scans the half mirror along the mirror surface, is reflected by the mirror surface, and projects an image on the retina of the user's eye.
  • Patent Document 1 does not disclose the specific positional relationship between the light source, the MEMS optical deflector, and the substrate mounted in the optical scanning device.
  • An object of the present invention is to provide an optical scanning device with improved quality of a light beam emitted as scanning light.
  • the optical scanning device of the present invention is a substrate; a light source mounted on the substrate and emitting a light beam; a MEMS optical deflector mounted on the substrate, the MEMS optical deflector having a mirror portion whose upper surface side is a mirror surface and an actuator for reciprocally rotating the mirror portion around an axis; at least one optical path generation mirror for generating an optical path for the light beam emitted from the light source to enter the mirror section of the MEMS optical deflector; a condensing lens disposed between an optical path generation mirror on which light emitted from the light source first enters in the optical path; In the optical path, one of the optical path generating mirrors is used as a corresponding optical path generating mirror, and is located upstream of the corresponding optical path generating mirror and in the same direction as the tilting direction of the corresponding optical path generating mirror with respect to the optical axis of the optical path. a first shield plate having a first elliptical aperture disposed thereon; Prepare.
  • the shielding plate arranged with the corresponding optical path generating mirror in the optical path has an aperture.
  • the light beam can be improved into a light beam with high contrast as a result of cutting the low-brightness area of the periphery of the light beam by the aperture.
  • FIG. 1 is a plan view of an optical scanning device; FIG. It is 1B arrow directional view of FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a view in the direction of arrow 1C of FIG. 1A;
  • FIG. 1D is a view in the direction of arrow 1D of FIG. 1A;
  • It is a side view of a support frame.
  • FIG. 15 is a diagram showing a spectacles-type image display device 155 as an application example of the optical scanning device; 3 is a detailed diagram of the positional relationship of optical elements of an optical scanning device in which optical paths of light beams are arranged;
  • FIG. 4B is an arrow view of FIG. 4A.
  • FIG. 4C arrow directional view of FIG. 4A.
  • FIG. 4D is a 4D arrow view of FIG.
  • 1 is a configuration diagram of a main part of an optical scanning device having a concave mirror instead of a plate-like mirror
  • FIG. 4 is a diagram showing the shape of a light spot when the projection screen is tilted with respect to the optical axis
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a main part of an optical scanning device equipped with RGB VCSELs;
  • FIG. 1A is a plan view of the optical scanning device 10
  • FIG. 1B is a view on arrow 1B of FIG. 1A
  • FIG. 1C is a view on arrow 1C of FIG. 1A
  • FIG. 1D is a view on arrow 1D of FIG. 1A.
  • 1A to 1D show the optical scanning device 10 with the cover 33 (one-dot chain line in FIG. 1B) removed.
  • the optical scanning device 10 has a support frame 12 .
  • the support frame 12 has an L-shaped cross-sectional contour, and has a bottom plate portion 13a and an upright plate portion 13b that are vertically connected.
  • the substrate 15 has a rectangular shape and is placed and fixed on the upper surface of the bottom plate portion 13a.
  • a three-axis orthogonal coordinate system is defined.
  • the X-axis and Y-axis are defined as axes parallel to the longitudinal direction (parallel to the long sides) and the lateral direction (parallel to the short sides) of the substrate 15, respectively.
  • the Z-axis is defined as an axis parallel to the upright direction of the upright plate portion 13 b from the substrate 15 .
  • Lp indicates a light beam.
  • the course of the light beam Lp means the optical path of the light beam Lp.
  • Cl is the optical axis as the central axis of the optical path of the light beam Lp.
  • the optical path from VCSEL 17 to MEMS optical deflector 20 is static. Since the light beam Lp is emitted from the MEMS optical deflector 20 as scanning light, the optical path on the downstream side from the MEMS optical deflector 20 becomes dynamic.
  • the light beam Lp is emitted from the left side of FIG. 1B, that is, from the negative end of the optical scanning device 10 in the X-axis direction.
  • the positive side and the negative side in the Z-axis direction of the substrate 15 are the upper surface and the lower surface, respectively, the positive side and the negative side in the Z-axis direction are appropriately defined as the upper side and the lower side of the optical scanning device 10 .
  • the VCSEL 17 and the MEMS optical deflector 20 are mounted on the upper surface of the substrate 15 with the X-axis direction as the alignment direction.
  • the VCSEL 17 has an emitting portion 18 on its upper surface, and emits a laser beam from the emitting portion 18 upward in parallel with the Z-axis direction, that is, directly upward.
  • the MEMS optical deflector 20 directs the mirror surface of the rotating mirror 21 upward.
  • the MEMS optical deflector 20 is a two-dimensional scanning MEMS optical deflector in this embodiment, it may be a one-dimensional scanning MEMS optical deflector.
  • Various configurations of the MEMS optical deflector itself are known. Deflectors) is selected.
  • the condensing lens 19 (FIG. 1B) is arranged in the vicinity of the exit portion 18 and directly above the exit portion 18 .
  • the VCSEL 17 is illustrated as a single unit, but in an actual product, it is enclosed in a package (not shown).
  • the package that encloses the VCSEL 17 is made of a transparent material such as quartz glass at a portion through which the light beam from the emitting portion 18 is emitted (eg, Japanese Patent No. 4512330 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-027088).
  • the condenser lens 19 is fixed (for example, glued) to the inner or outer surface of such a transparent material, or the transparent part itself is processed as a condenser lens, so that the position directly above the emission part 18 is fixed. Hold.
  • FIG. 2 is a side view of the support frame 12.
  • FIG. 1A to 1D and 2 the support frame 12, plate mirror 23 and rotary mirror 25 will be described.
  • the upright plate portion 13b of the support frame 12 has an inclined groove 30 and a through hole 31.
  • the inclined groove 30 has a rectangular cross section and opens obliquely rearward upward along the side contour of the standing plate portion 13b.
  • the bottom surface of the inclined groove 30 is formed with an inclined surface inclined at 45° with respect to the substrate 15 .
  • the through hole 31 is formed as a cylindrical hole penetrating through the standing plate portion 13b in the Y-axis direction.
  • the center of the width of the inclined surface (bottom surface) of the inclined groove 30 (length in side view in FIG. 1B) is located at the same position as the emitting portion 18 of the VCSEL 17 .
  • the center line Co of the cylindrical hole of the through hole 31 is positioned between the VCSEL 17 and the rotating mirror 21 of the MEMS optical deflector 20 in the X-axis direction.
  • the center of the length of the inclined surface of the inclined groove 30 and the center line of the cylindrical hole of the through hole 31 are located at the same position in the Z-axis direction, that is, at the same height from the substrate 15 .
  • the plate-like mirror 23 is made of a rectangular plate-like member, and has one end portion adhered to the inclined surface portion of the inclined groove 30 in a cantilevered state with an adhesive member such as resin.
  • the plate thickness of the plate-like mirror 23 is set substantially equal to the depth of the inclined groove 30 .
  • the plate width of the plate-like mirror 23 (length in side view in FIG. 1B) is slightly shorter than the width of the inclined groove 30 (length in side view in FIG. 1B). Therefore, before one end of the plate-like mirror 23 is adhered to the inclined groove 30, that is, before the one end is fixed, the plate-like mirror 23 is slightly displaceable in the direction of the slope of the bottom surface within the inclined groove 30. In addition, the angle of rotation around the axis parallel to the Y-axis can be changed. Such a change makes it possible to adjust the orientation of the mirror surface of the plate-like mirror 23 when the optical scanning device 10 is manufactured. By bonding one end of the plate-like mirror 23 to the inclined groove 30, it is fixed so that it cannot be displaced.
  • the rotary mirror 25 has a flat mirror portion 26 and a cylindrical fitting end portion 27 that is coupled to one end portion of the mirror portion 26 and fits into the through hole 31 .
  • the diameter of the fitting end portion 27 is slightly smaller than the diameter of the through hole 31 . Therefore, before the fitting end portion 27 is adhered to the through hole 31 , that is, before being fixed, the rotary mirror 25 fits the fitting end portion 27 into the through hole 31 while adjusting the center line of the through hole 31 . , and can be tilted within a predetermined tilt angle range from a state in which the center line of the rotary mirror 25 is aligned with the center line Co (FIG. 1B) of the through hole 31 .
  • Such a rotatable and tiltable configuration enables adjustment of the orientation of the mirror surface as the lower surface of the mirror portion 26 during the manufacture of the optical scanning device 10, and then the fitting end portion 27 is adhered with resin or the like. A member is adhered so that it can be fixed so as not to rotate.
  • the rotary mirror 21 of the MEMS optical deflector 20 is not positioned directly below the rotary mirror 25 but is positioned on the front side, that is, on the negative side of the rotary mirror 25 in the X-axis direction. there is In other words, the rotating mirror 21 of the MEMS optical deflector 20 is positioned obliquely downward when viewed from the rotating mirror 25 .
  • this configuration contributes to making the light beam Lp emitted from the optical scanning device 10 obliquely forward rather than perpendicular to the substrate 15 .
  • the optical scanning device 10 is attached to the temple of the eyeglass body as a spectacles-type video display device 155 (smart glasses video scanning device), which will be described as an example of use of the optical scanning device 10 in FIG.
  • a spectacles-type video display device 155 smart glasses video scanning device
  • FIG. 3 is a diagram showing a spectacles-type image display device 155 as an application example of the optical scanning device 10.
  • the glasses-type image display device 155 will be briefly described.
  • the spectacles-type image display device 155 includes a spectacles main body 160 and the video generation device 110 detachably attached to the spectacles main body 160 with an attachment member such as a clip 170 .
  • the eyeglass body 160 includes left and right temples 161a and 161b, and a front frame 163 that is coupled to the front ends of the left and right temples 161a and 161b at both left and right ends.
  • the front frame 163 further includes left and right lens frame portions 164a and 164b, and a bridge 165 connecting the left and right lens frame portions 164a and 164b.
  • the optical scanning device 10 is incorporated in the image generating device 110 along the extension direction of the temple 161b of the spectacle body 160 along with other elements (eg, MEMS sensor buffer amplifier and LDD (laser driver)) arranged in a row.
  • the optical scanning device 10 is arranged in the forefront, that is, closest to the lens 167 side.
  • the light beam Lp (FIG. 1B or FIG. 4A) emitted from the optical scanning device 10 scans the scanning region 172 as the region on the inner surface side of the lens 67 .
  • the scanning area 172 is a half mirror, and the light beam Lp is reflected by the scanning area 172 to generate an image on the user's retina as a screen.
  • the cover 33 extends along the contour of the upright plate portion 13b above the base plate 15, covers the upright plate portion 13b, and is fixed to the peripheral edge of the bottom plate portion 13a at the lower end side opening peripheral edge. be.
  • the cover 33 has a transparent portion 34 at least in a portion where a light beam Lp, which will be described later, is emitted from the optical scanning device 10 as scanning light.
  • FIG. 4A is a detailed view of the positional relationship of the optical elements of the optical scanning device 10 in which the optical path of the light beam Lp is arranged;
  • FIG. 4B is a view from the arrow 4B in FIG. 4A;
  • FIG. 4D is a view on arrow 4D of FIG. 4A, and
  • FIG. 4E is a view on arrow 4E of FIG. 4A.
  • FIG. 4C is also a view along arrow 4C' in FIG. 4A.
  • the arrows 4B-4E and 4C' in FIG. 4A are both located on the optical axis Cl.
  • the right side of the drawing is forward in the negative direction of the X axis, and the left side is backward in the positive direction of the X axis.
  • the condensing lens 19 and the plate-like mirror 23 are arranged directly above the output section 18 .
  • the plate-like mirror 23 faces obliquely downward toward the rotating mirror 25 .
  • the shielding plate 41 has an elliptical aperture 42 and is fixed (eg, glued) to the mirror surface of the plate-like mirror 23 .
  • the mirror surface of the plate-like mirror 23 allows the light beam Lp to enter and exit only within the range of the elliptical aperture 42 .
  • the condenser lens 19 is positioned between the light beam Lp and the plate-like mirror 23 in the optical path of the light beam Lp.
  • the light is emitted so as to converge on a predetermined point downstream of 20 (light spot 51 on projection screen 50 in this example).
  • the light beam Lp advances to the predetermined point while shrinking in the light radial direction.
  • the mirror surface of the mirror portion 26 faces obliquely downward toward the plate-like mirror 23 side.
  • the optical axis Cl extends parallel to the substrate 15 between the plate-like mirror 23 and the mirror section 26 .
  • the shield plate 45 has an elliptical aperture 46 and is fixed (eg, glued) to the mirror surface of the mirror section 26 .
  • the light beam Lp is incident only within the range of the elliptical aperture 46 on the mirror surface of the mirror portion 26 of the rotary mirror 25 .
  • the plate-like mirror 23 has a mirror surface on the lower surface.
  • a shielding plate 41 has an elliptical aperture 42 and is fixed to the mirror surface of the plate-like mirror 23 .
  • the mirror surface of the plate-like mirror 23 allows the light beam Lp to enter and exit only within the range of the elliptical aperture 42 .
  • a light spot 51 is generated on the projection screen 50 as a condensing point of the light beam Lp by the condensing lens 19 .
  • the projection screen 50 is located at a predetermined distance from the optical scanning device 10 along the optical path of the light beam Lp. In the optical scanning device 10 installed in the glasses-type image display device 155 (FIG. 3), the projection screen 50 becomes the user's retina.
  • the light beam Lp emitted from the emitting portion 18 of the VCSEL 17 is laser light sufficiently weakened so as not to harm human eyes.
  • the light beam Lp is emitted from the emitting portion 18 of the VCSEL 17 while spreading radially upward (positive direction in the Z-axis direction) perpendicular to the substrate 15 .
  • the light beam Lp advances along the optical path while contracting in the radial direction until it reaches the condensing point of the condensing lens 19 (the light spot 51 in this optical scanning device 10).
  • the light beam Lp passes through the elliptical aperture 42 of the shielding plate 41 and reaches the plate-like mirror 23 .
  • the elliptical aperture 42 is an ellipse when viewed from the direction perpendicular to the shielding plate 41 (the direction of the normal to the plate-like mirror 23), as shown in FIG. 4B.
  • the shielding plate 41 has a surface inclined with respect to the optical axis Cl.
  • the long axis of the elliptical aperture 42 overlaps the optical axis Cl of the beam Lp when viewed from the direction perpendicular to the shielding plate 41 (normal direction).
  • Da1, Db1 are the major and minor axis dimensions of this ellipse.
  • Da1/Db1 is defined as ⁇ 1.
  • the elliptical aperture 42 is perpendicular to the shielding plate 41 (normal line It is closer to a perfect circle than viewed from the direction). That is, when the elliptical aperture 42 is viewed from the direction of the optical axis Cl, the ratio of the major axis to the minor axis of the ellipse in FIG. 4C (in FIG. 4C, the elliptical aperture 42 is an ellipse including a perfect circle) is It is a circle closer to 1 than ⁇ 1 (1 ⁇ 1).
  • the vertical axis is the long axis and the horizontal axis is the short axis.
  • ⁇ 1 is defined as the diameter of a circle (in the case of an ellipse, the average value of the major and minor axes) when viewed along the optical axis Cl.
  • the light beam Lp emitted from the emitting portion 18 of the VCSEL 17, passed through the condenser lens 19 and condensed is almost a perfect circle at any position on the optical axis Cl when viewed in the direction of the optical axis Cl. shape (Fig. 4C).
  • the light beam Lp generates an elliptical irradiation shape Lp1 at the shielding plate 41 arranged obliquely with respect to the optical axis Cl (FIG. 4B).
  • the elliptical aperture 42 is an ellipse that is substantially similar in shape to the illumination shape Lp1 but slightly smaller. Also, the elliptical aperture 42 is included inside the irradiation shape Lp1. By doing so, the light beam Lp retains its original shape close to a perfect circle when viewed from the direction of the optical axis Cl even after being reflected by the plate-like mirror 23 and passing through the elliptical aperture 42. .
  • the elliptical aperture 42 substantially similar to the irradiation shape Lp1 is limited to the case where the shielding plate 41 is thin. When the thickness is considered, the shape is slightly deformed from the similar shape. In addition, since the tilt angle of the plate-like mirror 23 is adjusted as described above, the tilt angle of the fixed shielding plate 41 changes, and the exact shape of the irradiation shape Lp1 is determined after the adjustment. For this reason, the relationship between the shape of the elliptical aperture 42 and the illumination shape Lp1 may deviate from similarity, but the direction of the major axis is always the direction of inclination of the shielding plate 41 with respect to the optical axis Cl. Also, the ellipse of the elliptical aperture 42 and the ellipse of the irradiation shape Lp1 have the same intersection point of the long axis and the short axis as the central position (FIG. 4B).
  • a predetermined value ⁇ 1 is defined for the illuminance ⁇ in the cross section.
  • the irradiation shape Lp1 is defined as a region where the illuminance ⁇ is equal to or greater than a predetermined value ⁇ 2 (0 ⁇ 2 ⁇ 1).
  • the predetermined values ⁇ 1 and ⁇ 2 are 0.5 and 0.3 times the maximum value of the illuminance ⁇ , respectively.
  • the illuminance of the light spot 51 on the projection screen 50 is assumed to be the illuminance generated by converging the incident points of the light rays on the projection screen 50 to the light spot 51 .
  • the light beam Lp is cut in the peripheral region in the cross section, in other words, in the radially outer region where the illuminance ⁇ is less than ⁇ 1.
  • the area inside the irradiation shape Lp1 and outside the elliptical aperture 42 in FIG. 4B is the area to be cut.
  • the light beam Lp immediately after being reflected by the plate-like mirror 23 and emitted from the elliptical aperture 42 becomes a light beam with an illuminance ⁇ of ⁇ 1 or more and a circular cross section.
  • the light beam Lp then travels along the optical path towards the rotating mirror 25 .
  • the light beam Lp then passes through the elliptical aperture 46 of the shielding plate 45 and reaches the rotating mirror 25 .
  • the elliptical aperture 46 is an ellipse when viewed from the direction perpendicular to the shielding plate 45 (the direction of the normal to the rotary mirror 25) from the direction of the optical axis Cl. (Fig. 4D).
  • the irradiation shape Lp2 of the irradiation area of the light beam Lp within the elliptical aperture 46 is an ellipse and is generated inside the ellipse of the elliptical aperture 46 .
  • the elliptical aperture 46 When viewed in the optical axis direction from the upstream side (plate-shaped mirror 23 side) and the downstream side (MEMS optical deflector 20 side) (FIG. 4E), the elliptical aperture 46 is more circular than it is when viewed from the vertical direction. It is circular, that is, the ratio of the major axis to the minor axis is closer to 1 than ⁇ 2. Let the diameter ⁇ of this circle be ⁇ 2. ⁇ 1> ⁇ 2.
  • the shapes of the ellipses are not similar. Therefore, even though the elliptical apertures 42 and 46 are both circular when viewed from the direction of the optical axis Cl, it is possible to set ⁇ 1 ⁇ 2.
  • the larger the angle of inclination of the light beam Lp with respect to the optical axis Cl (the direction perpendicular to the optical axis Cl is defined as the angle of inclination 0°), the more elliptical the aperture the shielding plate is arranged. It is preferable to lengthen the major axis of , that is, to increase the dimensional ratio ⁇ .
  • the light beam Lp passes through the elliptical aperture 46 and then irradiates the rotary mirror 25 in an irradiation shape Lp2.
  • the irradiation shape Lp2 is an elliptical shape that is smaller than the elliptical aperture 46 .
  • the light beam Lp generates diffracted light when passing through the elliptical aperture 42 of the shielding plate 41 .
  • the diffracted light is weak light that spreads over a wider range than the light beam Lp.
  • the shielding plate 45 prevents the diffracted light from being reflected by the rotary mirror 25 .
  • the illumination shape Lp2 is smaller than the elliptical aperture 46, and the entirety of the illumination shape Lp2 can be accommodated inside the elliptical aperture 46, thereby preventing further diffracted light from being generated from the shielding plate 45.
  • the light beam Lp emitted from the elliptical aperture 46 travels obliquely downward (direction away from the plate-like mirror 23 in the X-axis direction) and reaches the center of the rotating mirror 21 of the MEMS optical deflector 20 .
  • the rotating mirror 21 of the MEMS optical deflector 20 rotates around two mutually intersecting axes with non-resonance and resonance, respectively.
  • the two axes are parallel to the X-axis and the Y-axis, respectively, when the rotating mirror 21 is stationary.
  • the light beam Lp emitted from the rotating mirror 21 becomes scanning light for two-dimensional scanning due to the reciprocating rotation of the rotating mirror 21 about two axes.
  • the resonant frequency and the non-resonant frequency are, for example, 14 kHz or higher and 60 Hz, respectively.
  • the (non-co-advance side) reciprocating rotation angle of the rotating mirror 21 about the X-axis is smaller than the (co-advancing side) reciprocating rotation angle of the rotating mirror 21 about the Y-axis.
  • the reciprocating rotation of the rotatable mirror 21 about the resonance axis and the reciprocating rotation of the rotatable mirror 21 about the non-resonant axis respectively correspond to the horizontal and vertical directions of the projection screen 50, which will be described later. described as.
  • the light beam Lp is reflected by the rotating mirror 21 to become scanning light, emitted from the optical scanning device 10 , and scanned on the projection screen 50 outside the optical scanning device 10 .
  • a light spot 51 is generated at the irradiation point of the light beam Lp on the projection screen 50 .
  • a light spot 51 scanning over the projection screen 50 produces a rectangular image area with long and short sides in the horizontal and vertical directions, respectively.
  • the area of the elliptical aperture 42 on the upstream side is larger than that of the elliptical aperture 46 on the downstream side.
  • Both the elliptical apertures 42 and 46 are circular when viewed from the upstream side in the direction of the optical axis Cl, but the diameter of this circle is larger for the upstream elliptical aperture 42 than for the downstream elliptical aperture 46. .
  • the shaping effect of the cross section of the light beam Lp can be enhanced.
  • the contrast between the light spot 51 and its surroundings can be increased more than the one-step edge cut.
  • the shielding plates 41 and 45 are attached to the plate-like mirror 23 and the rotating mirror 25 by bonding or the like.
  • the projection screen 50 is a plane perpendicular to the optical axis Cl with the MEMS optical deflector 20 stopped.
  • the light spot 51 is designed so that the ratio of the long axis to the short axis approaches 1, with a perfect circle being ideal.
  • the projection screen 50 may have a surface inclined with respect to the optical axis Cl in a state where the MEMS optical deflector 20 is stopped depending on the application and arrangement of members.
  • the retina corresponds to the projection screen 50, and the optical axis Cl of the light beam Lp with the MEMS optical deflector 20 stopped is tilted with respect to the assumed position of the retina. It is also possible that the optical scanning device 10 is placed at a position where it will be used.
  • the formed light spot 51 is deformed into a shape extending in the direction of inclination of the optical axis Cl of the light beam Lp.
  • Such deformation of the light spot 51 due to the position of the projection screen 50 may also occur in other applications such as projectors.
  • a wall perpendicular to the plane on which the projector is placed can be assumed as the projection screen 50 .
  • the light beam Lp emitted from the optical scanning device 10 has a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis Cl toward the projection screen 50 assumed in advance. It is preferable to form an elliptical shape having a long axis in a direction perpendicular to the direction.
  • FIG. 6 is a diagram showing the shape of the light spot 51 when the projection screen 50 is tilted with respect to the optical axis Cl.
  • the tilt angle of the projection screen 50 is defined as 0° when the screen surface of the projection screen 50 is perpendicular to the optical axis Cl of the light beam Lp.
  • the light beam Lp whose cross section perpendicular to the optical axis Cl is elliptical, becomes a perfect circle on the projection screen 50 . Even if the light beam Lp does not form an exact circle, the ratio of the major axis to the minor axis of the light spot 51 on the projection screen 50 can be brought close to one.
  • a cross-sectional shape of the light beam Lp perpendicular to the optical axis Cl is called a cross-sectional shape.
  • the cross-sectional shape of the light beam Lp can be shaped by adjusting the shapes of the elliptical aperture 42 of the shielding plate 41 and the elliptical aperture 46 of the shielding plate 45 .
  • the contrast of the light spot 51 on the projection screen 50 is increased by cutting the periphery of the light beam Lp with the elliptical apertures 42,46. As a result, the quality of video viewed by the user can be improved.
  • the diameter of the cross section of the light beam Lp is narrowed by the condensing by the condenser lens 19 (FIG. 4A). You may make it so. It should be noted that the condensing lens 19 is also used when parallel light is used.
  • the number of VCSELs 17 is not limited to one, and for example, VCSELs 17 of three colors of RGB may be used side by side.
  • a plate-like mirror 23 is arranged for each VCSEL 17 . Further, since the plate-like mirror 23 is a dichroic mirror, each VCSEL 17 can be aligned.
  • shielding plates 41 and 45 are used, at least one shielding plate is sufficient in the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the main part of the optical scanning device 61 equipped with VCSELs 17R, G, and B of RGB.
  • the VCSELs 17R, G, B are mounted in a row in the X-axis direction on a common substrate 15 (FIG. 1A).
  • a condensing lens 19 and a dichroic mirror 65 are arranged directly above each of the VCSELs 17R, G, and B so as to face each other.
  • the light beam Lp is directed parallel to the substrate 15 toward the rotating mirror 25 , cut at the periphery by the elliptical aperture 46 of the shielding plate 45 , and then directed toward the MEMS optical deflector 20 .
  • the optical scanning device 61 does not have the shielding plate 41 .
  • the elliptical aperture 46 of the shielding plate 45 is smaller than the irradiation area of the light beam Lp on the shielding plate 45, and has the same function as the elliptical aperture 42 in the embodiment of FIG. 4 for shaping the light beam Lp.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the main part of the optical scanning device 10 having a concave mirror 53 instead of the plate-like mirror 23.
  • the concave mirror 53 is fixed (eg, glued) to the shielding plate 41 at its peripheral edge so as to face the elliptical aperture 42 from the upper surface side of the shielding plate 41 .
  • the concave mirror 53 can also be manufactured by integral molding with the shielding plate 41 using a predetermined mold, for example.
  • one end of the shielding plate 41 is extended toward the inclined groove 30 ( FIG. 2 etc.) and directly fixed to the inclined groove 30 .
  • a VCSEL 17 is used as a light source.
  • the light source of the present invention is not limited to the VCSEL 17, and other than the VCSEL 17, for example, an edge emitting laser can be selected.
  • the VCSEL 17 emits light directly above the optical axis Cl.
  • the light source does not have to emit the light beam upward (for example, right above).
  • the plurality of optical path generation mirrors direct the light beam emitted from the light source to the mirror portion of the MEMS optical deflector. It is sufficient that an optical path is generated so as to make it incident.
  • the shielding plates 41 and 45 are attached to the plate-like mirror 23 and the rotating mirror 25 as corresponding optical path generating mirrors.
  • the shielding plate can also be arranged on the optical path upstream of the corresponding optical path generating mirror and away from the corresponding optical path generating mirror. In that case, the shielding plate arranged on the upstream side of the corresponding optical path generating mirror on the optical path and away from the corresponding optical path generating mirror must be disposed so as not to interfere with the optical path on the downstream side of the corresponding optical path generating mirror. .
  • the shielding plates 41 and 45 are arranged parallel to the plate-like mirror 23 and the rotating mirror 25 as corresponding optical path generating mirrors.
  • the concave mirror 53 in FIG. 5 has a curved mirror surface, the concept of parallelism to the shielding plate 41 cannot be defined.
  • the normal line is set at the intersection of the incident side optical axis Cl and the shielding plate and the optical path generation mirror, and the shielding plate with respect to the incident side optical axis Cl and the normal to the optical path generation mirror are defined as the tilt angles of the shield plate and the optical path generation mirror.
  • the tilt angle of the shield plate and the optical path generation mirror at that time is 0° when the tilt angle of the plane perpendicular to the light beam Lp at the intersection is defined as 0°.
  • Optical scanning device 17... VCSEL, 19... Condensing lens, 20... MEMS optical deflector, 21... Rotary mirror, 23... Plate-like mirror (optical path generating mirror), 25... rotating mirror (optical path generating mirror), 41, 45... shielding plate, 42, 46... oval aperture, 53... concave mirror (optical path generating mirror).

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Abstract

本発明の光走査装置（１０）は、同一の基板上に実装される光源（１７）及びＭＥＭＳ光偏向器（２０）と、光源（１７）から出射される光ビーム（Ｌｐ）をＭＥＭＳ光偏向器（２０）に入射させる光路を生成する少なくとも１つの光路生成ミラー（２３，２５）と、光源（１７）と最初の光路生成ミラー（２３）との間に配置される集光レンズ（１９）とを備える。遮蔽板（４１）は、楕円形アパーチャ（４２）を有し、光路生成ミラー（２３）に取り付けられる。集光レンズ（１９）からの光ビーム（Ｌｐ）は、横断面の周縁を楕円形アパーチャ（４２）によりカットされる。

Description

光走査装置
　本発明は、ＭＥＭＳ光偏向器を備える光走査装置に関する。
　特許文献１は、ＭＥＭＳ光偏向器を備える光走査装置を開示する。該光走査装置は、眼鏡型のヘッドマウントの一側のテンプル（つる）に装着されて、眼鏡のフロント（前枠）の方に配置されたレンズ及びハーフミラーに向かってＭＥＭＳ光偏向器からの走査光を出射し、ハーフミラーで反射した走査光によりユーザの網膜に映像を投影する。
　特許文献１の模式図によれば、テンプルには、光走査装置の他に、レンズ及びハーフミラーが実装され、光走査装置は、レンズを間に挟んでハーフミラーと対向し、光走査装置から出射したレーザ光は、ハーフミラー上をミラー面に沿って走査するとともに、該ミラー面で反射して、ユーザの目の網膜に映像を投影する。
特許第６７３４５３２号公報
　特許文献１は、光源、ＭＥＭＳ光偏向器及び基板が具体的にどのような位置関係で光走査装置内に実装されているのかについては開示していない。
　本発明の目的は、走査光として出射する光ビームの品質を改善した光走査装置を提供することである。
　本発明の光走査装置は、
　基板と、
　前記基板上に実装され、光ビームを出射する光源と、
　上面側がミラー面であるミラー部及び前記ミラー部を軸の回りに往復回動させるアクチュエータを有し、前記基板に実装されるＭＥＭＳ光偏向器と、
　前記光源から出射された前記光ビームが前記ＭＥＭＳ光偏向器の前記ミラー部に入射する光路を生成する少なくとも１つの光路生成ミラーと、
　前記光路において前記光源からの出射光が最初に入射する光路生成ミラーとの間に配置される集光レンズと、
　前記光路において前記光路生成ミラーのいずれかを対応光路生成ミラーとして前記対応光路生成ミラーの上流側にかつ前記光路の光軸に対して前記対応光路生成ミラーの傾斜する方向と同一の傾斜する方向で配置される第１の楕円形アパーチャを有する第１の遮蔽板と、
を備える。
　本発明によれば、光路において対応光路生成ミラーで配置された遮蔽板が、アパーチャを有する。これにより、光ビームが、アパーチャにより周縁の低輝度領域をカットされる結果、コントラストの大きい光ビームに改善することができる。
光走査装置の平面図である。 図１Ａの１Ｂ矢視図である。 図１Ａの１Ｃ矢視図である。 図１Ａの１Ｄ矢視図である。 支持枠体の側面図である。 光走査装置の適用例としての眼鏡型映像表示装置１５５を示した図である。 光ビームの光路が配設される光走査装置の光学素子の位置関係の詳細図である。 図４Ａの４Ｂ矢視図である。 図４Ａの４Ｃ矢視図である。 図４Ａの４Ｄ矢視図である。 図４Ａの４Ｅ矢視図である。 板状ミラーに代えて凹面ミラーを有する光走査装置の主要部の構成図である。 投影スクリーンが光軸に対し傾斜している場合の光スポットの形状を示す図である。 ＲＧＢのＶＣＳＥＬを装備する光走査装置の主要部の模式図である
　図面を参照して、本発明の好適な複数の実施形態を詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されないことは言うまでもない。本発明は、以下の実施形態以外にも、本発明の技術的思想の範囲内で種々の構成を包含する。全図を通して、同一の要素については、同一符号が付されている。
　（全体の構成）
　図１Ａは光走査装置１０の平面図、図１Ｂは図１Ａの１Ｂ矢視図、図１Ｃは図１Ａの１Ｃ矢視図、図１Ｄは図１Ａの１Ｄ矢視図である。なお、図１Ａ－図１Ｄは、カバー３３（図１Ｂの一点鎖線）を取り外した状態で光走査装置１０を示している。
　光走査装置１０は、支持枠体１２を備える。支持枠体１２は、Ｌ字型の横断面輪郭を有し、垂直に結合する底板部１３ａと起立板部１３ｂとを有する。基板１５は、矩形であり、底板部１３ａの上面に載置され、固定される。
　説明の便宜上、３軸の直交座標系を定義する。Ｘ軸及びＹ軸は、それぞれ基板１５の長手方向（長辺に平行な方向）及び短手方向（短辺に平行な方向）に平行な方向の軸として定義する。Ｚ軸は、基板１５からの起立板部１３ｂの起立方向に平行な軸として定義する。
　Ｌｐは、光ビームを示している。光ビームＬｐの進路は、光ビームＬｐの光路を意味する。Ｃｌは、光ビームＬｐの光路の中心軸としての光軸である。光路は、ＶＣＳＥＬ１７からＭＥＭＳ光偏向器２０までは静的である。光ビームＬｐは、ＭＥＭＳ光偏向器２０から走査光として出射されるので、ＭＥＭＳ光偏向器２０から下流側の光路は、動的となる。
　光走査装置１０では、光ビームＬｐは、図１Ｂの左側、すなわち、Ｘ軸方向に光走査装置１０の負側の端から出射されるので、Ｘ軸において負側及び正側をそれぞれ適宜、光走査装置１０の前方及び後方と呼ぶことにする。また、基板１５において、Ｚ軸方向の正側及び負側がそれぞれ上面及び下面になるので、Ｚ軸方向の正側及び負側をそれぞれ適宜、光走査装置１０の上方及び下方と定義する。
　ＶＣＳＥＬ１７及びＭＥＭＳ光偏向器２０は、Ｘ軸方向を並び方向にして、基板１５の上面に実装される。ＶＣＳＥＬ１７は、出射部１８を上面に有し、出射部１８からレーザ光をＺ軸方向に平行に上向きに、すなわち直上に出射する。ＭＥＭＳ光偏向器２０は、回動ミラー２１のミラー面を上方に向けている。
　なお、ＭＥＭＳ光偏向器２０は、この実施形態では２次元走査型のＭＥＭＳ光偏向器であるが、１次元走査型のＭＥＭＳ光偏向器であってもよい。ＭＥＭＳ光偏向器の構成自体は、種々、知られており、例えば、特開２０１７－２０７６３０号公報（２次元走査型ＭＥＭＳ光偏向器）や特開２０１４－０５６０２０号公報（１次元走査型ＭＥＭＳ光偏向器）に記載されているＭＥＭＳ光偏向器が選択される。
　集光レンズ１９（図１Ｂ）は、出射部１８に近接して、出射部１８の直上に配設される。図１Ａ－図１Ｄでは、ＶＣＳＥＬ１７は、単体で図示されているが、実際の製品では、パッケージ（図示せず）内に封入されている。ＶＣＳＥＬ１７を封入するパッケージは、出射部１８からの光ビームが出射する部位が石英ガラスのような透明材となっている（例：特許第４５１２３３０号公報及び特開２００９－０２７０８８号公報）。集光レンズ１９は、このような透明材の内面又は外面に固着（例：接着）されるか、あるいは透明部自体が集光レンズとして加工されるかして、出射部１８の直上の位置を保持する。
　図２は、支持枠体１２の側面図である。図１Ａ－図１Ｄ及び図２を参照して、支持枠体１２、板状ミラー２３及び回転型ミラー２５について説明する。
　支持枠体１２の起立板部１３ｂは、傾斜溝３０及び貫通孔３１を有する。傾斜溝３０は、矩形の横断面を有し、起立板部１３ｂの側面輪郭に上方に向かって斜め後方に開口している。傾斜溝３０の底面は、基板１５に対して４５°で傾斜する傾斜面で形成されている。貫通孔３１は、起立板部１３ｂをＹ軸方向に貫通する円柱孔として形成されている。
　Ｘ軸方向において、傾斜溝３０の傾斜面（底面）の幅（図１Ｂにおける側面視の長さ）の中心は、ＶＣＳＥＬ１７の出射部１８と同一位置に位置する。Ｘ軸方向において、貫通孔３１の円柱孔の中心線Ｃｏは、Ｘ軸方向にＶＣＳＥＬ１７とＭＥＭＳ光偏向器２０の回動ミラー２１との間に位置する。傾斜溝３０の傾斜面の長さの中心と、貫通孔３１の円柱孔の中心線とは、Ｚ軸方向に同一位置に、すなわち基板１５から同一高さに位置する。
　板状ミラー２３は、矩形の板状の部材から成り、下側の板面をミラー面として、片持ち状態で一端部を傾斜溝３０の斜面部に樹脂などの接着部材によって接着される。板状ミラー２３の板厚は、傾斜溝３０の深さにほぼ等しく設定されている。
　板状ミラー２３の板幅（図１Ｂにおける側面視の長さ）は、傾斜溝３０の幅（図１Ｂにおける側面視の長さ）より少し短くなっている。したがって、傾斜溝３０への板状ミラー２３の一端部の接着前、すなわち該一端部の固定前の状態では、板状ミラー２３は、傾斜溝３０内で底面の斜面方向にわずかながら変位可能であるとともに、Ｙ軸に平行な軸線の回りの回転角を変更可能になっている。このような変更は、光走査装置１０の製造時において板状ミラー２３のミラー面に向きの調整を可能にするものである。傾斜溝３０への板状ミラー２３の一端部の接着によって変位できないように固定される。
　回転型ミラー２５は、平板状のミラー部２６と、ミラー部２６の一端部に結合して貫通孔３１に嵌合する円柱の嵌合端部２７とを有する。嵌合端部２７の径は、貫通孔３１の径よりわずかに小さい。したがって、貫通孔３１への嵌合端部２７の接着前、すなわち固定前の状態では、回転型ミラー２５は、嵌合端部２７を貫通孔３１に嵌合しつつ、貫通孔３１の中心線の回りを回動自在であるとともに、貫通孔３１の中心線Ｃｏ（図１Ｂ）に対して回転型ミラー２５の中心線を一致させた状態から所定の傾斜角範囲で傾斜可能にしている。そのため、板状ミラー２３に比べ大きな角度範囲で回転変位可能となっている。このような回動可能及び傾斜可能な構成は、光走査装置１０の製造時においてミラー部２６の下面としてのミラー面に向きの調整を可能にした後、嵌合端部２７を樹脂等の接着部材で接着させ回動できないように固定可能にする。
　ＭＥＭＳ光偏向器２０の回動ミラー２１は、回転型ミラー２５に対して回転型ミラー２５の直下の位置ではなく、前側、すなわちＸ軸方向に回転型ミラー２５に対して負側に位置している。換言すると、ＭＥＭＳ光偏向器２０の回動ミラー２１は、回転型ミラー２５から見て、斜め下方に位置する。
　この構成は、後述するように、光走査装置１０からの光ビームＬｐの出射方向を基板１５に対して垂直方向ではなく、斜め前方に出射させることに寄与する。この構成は、次の図３で光走査装置１０の一使用例として説明する眼鏡型映像表示装置１５５（スマートグラスの映像走査装置）として眼鏡本体のつるに光走査装置１０を装着するときに、光走査装置１０からの出射光が、映像装置とユーザの顔面とのわずかの間隙からユーザの顔面に干渉されることなく、眼鏡本体のレンズ内面に到達することを保証する。
　図３は、光走査装置１０の適用例としての眼鏡型映像表示装置１５５を示した図である。眼鏡型映像表示装置１５５について簡単に説明する。眼鏡型映像表示装置１５５は、眼鏡本体１６０と、クリップ１７０などの装着部材により眼鏡本体１６０に着脱自在に装着された映像生成装置１１０とを備える。眼鏡本体１６０は、左右のつる１６１ａ，１６１ｂと、左右の両端において左右のつる１６１ａ，１６１ｂの前端に結合する前枠１６３とを備える。前枠１６３は、さらに、左右のレンズ枠部１６４ａ，１６４ｂと、左右のレンズ枠部１６４ａ，１６４ｂを連結するブリッジ１６５とを備える。
　光走査装置１０は、映像生成装置１１０内に眼鏡本体１６０のつる１６１ｂの延在方向に沿って他の素子（例：ＭＥＭＳセンサ用バッファアンプ及びＬＤＤ（レーザドライバ））と共に一列配置で内蔵されている。なお、この一列配置では、光走査装置１０は、最前、すなわち最もレンズ１６７側に配置されている。こうして、光走査装置１０から出射する光ビームＬｐ（図１Ｂ又は図４Ａ）は、レンズ６７の内面側の領域としての走査領域１７２を走査する。走査領域１７２は、ハーフミラーであり、光ビームＬｐは、走査領域１７２で反射して、ユーザの網膜をスクリーンとして網膜に映像を生成する。
　カバー３３（図１Ｂ）は、基板１５より上の起立板部１３ｂの輪郭に沿って延在し、起立板部１３ｂの上からかぶさって、下端側の開口周縁を底板部１３ａの周縁に固着される。カバー３３は、少なくとも後述の光ビームＬｐが走査光となって光走査装置１０から出射する部分において透明部３４を有する。
　（主要部の構成）
　図４Ａは、光ビームＬｐの光路の配設される光走査装置１０の光学素子の位置関係の詳細図、図４Ｂは図４Ａの４Ｂ矢視図、図４Ｃは図４Ａの４Ｃ矢視図、図４Ｄは図４Ａの４Ｄ矢視図、図４Ｅは図４Ａの４Ｅ矢視図である。図４Ｃは、図４Ａの矢視４Ｃ‘図でもある。なお、図４Ａの矢視４Ｂ－４Ｅ及び矢視４Ｃ’は、いずれも光軸Ｃｌ上に位置する。
　なお、図４Ａにおいては、図面上の右側はＸ軸の負の方向で前方になり、左側がＸ軸の正の方向で後方になる。
　集光レンズ１９及び板状ミラー２３は、出射部１８の直上に配置される。板状ミラー２３は、ミラー面を回転型ミラー２５側の斜め下方に向けている。遮蔽板４１は、楕円形アパーチャ４２を有し、板状ミラー２３のミラー面に固着（例：接着）される。これにより、板状ミラー２３のミラー面は、楕円形アパーチャ４２の範囲のみ光ビームＬｐの入射及び出射が可能になる。
　集光レンズ１９は、光ビームＬｐの光路において出射部１８と板状ミラー２３との間に位置し、出射部１８から径方向に広がりつつ出射して来た光ビームＬｐを、ＭＥＭＳ光偏向器２０より下流側の所定点（この例では、投影スクリーン５０の光スポット５１）に集光するように、出射する。これにより、光ビームＬｐは、集光レンズ１９を出射後、光径方向に縮小しつつ、当該所定点へ進む。
　回転型ミラー２５は、ミラー部２６のミラー面を板状ミラー２３側の斜め下方に向けている。光軸Ｃｌは、板状ミラー２３－ミラー部２６間において基板１５に平行に延在している。遮蔽板４５は、楕円形アパーチャ４６を有し、ミラー部２６のミラー面に固着（例：接着）される。これにより、回転型ミラー２５のミラー部２６のミラー面は、楕円形アパーチャ４６の範囲のみ光ビームＬｐが入射する。板状ミラー２３は、下面がミラー面になっている。遮蔽板４１は、楕円形アパーチャ４２を有し、板状ミラー２３のミラー面に固着される。これにより板状ミラー２３のミラー面は、楕円形アパーチャ４２の範囲のみ光ビームＬｐの入射及び出射が可能になる。
　光スポット５１は、集光レンズ１９による光ビームＬｐの集光点として投影スクリーン５０上に生成される。投影スクリーン５０は、光ビームＬｐの光路に沿って光走査装置１０から所定距離、離れた箇所となる。眼鏡型映像表示装置１５５（図３）に装備される光走査装置１０では、投影スクリーン５０は、ユーザの網膜になる。なお、ＶＣＳＥＬ１７の出射部１８から出射する光ビームＬｐは、人の目に害を与えない程度に十分に弱めたレーザ光である。
　（作用）
　光ビームＬｐは、ＶＣＳＥＬ１７の出射部１８から基板１５に対して垂直で上向き（Ｚ軸方向の正の向き）に径方向に広がりつつ、出射する。光ビームＬｐは、集光レンズ１９を通過した後は、集光レンズ１９の集光点（この光走査装置１０では光スポット５１）に達するまで径方向に縮小しつつ、光路に沿って進む。光ビームＬｐは、集光レンズ１９の通過後、遮蔽板４１の楕円形アパーチャ４２を通過して、板状ミラー２３に達する。
　図４Ｂにおいて、楕円形アパーチャ４２は、遮蔽板４１に対して垂直な方向（板状ミラー２３の法線の方向）から見たときは、図４Ｂで示されているように、楕円である。遮蔽板４１は光軸Ｃｌに対して傾斜した面となっている。楕円形アパーチャ４２の長軸は、遮蔽板４１に垂直な方向（法線方向）から見たときは、ビームＬｐの光軸Ｃｌに重なる。図４Ｂにおいて、Ｄａ１，Ｄｂ１は、この楕円形の長軸及び短軸の寸法である。また、Ｄａ１／Ｄｂ１をβ１と定義する。
　図４Ｃにおいて、楕円形アパーチャ４２は、上流側（集光レンズ１９側）及び下流側（回転型ミラー２５側）から光軸Ｃｌの方向から見た場合は遮蔽板４１に垂直な方向（法線方向）から見るよりも真円に近い。すなわち、楕円形アパーチャ４２を光軸Ｃｌの方向から見た場合、図４Ｃにおける楕円（図４Ｃでは、楕円形アパーチャ４２は、真円を含む楕円である。）における長軸と短軸の比はβ１（１＜β１）よりも１に近い円形である。図４Ｃにおいて、縦が長軸、横が短軸となる。ここで、光軸Ｃｌに沿って見た場合の円の直径（楕円の場合は長軸と短軸の平均値）をα１と定義する。
　ＶＣＳＥＬ１７の出射部１８から出射され、集光レンズ１９を通過し集光される光ビームＬｐは、光軸Ｃｌの方向に見た場合は、光軸Ｃｌ上のどの位置においても、真円に近い形状となる（図４Ｃ）。光ビームＬｐは、光軸Ｃｌに対して傾斜して配置される遮蔽板４１において楕円の照射形状Ｌｐ１を生成する（図４Ｂ）。楕円形アパーチャ４２は、照射形状Ｌｐ１とほぼ相似形状で一回り小さい楕円となっている。また、楕円形アパーチャ４２は、照射形状Ｌｐ１の内側に含まれる。このようにすることで、光ビームＬｐは、板状ミラー２３で反射し楕円形アパーチャ４２を通過した後も、光軸Ｃｌの方向から見た場合は、元の真円に近い形状を保持する。
　ただし、楕円形アパーチャ４２を照射形状Ｌｐ１とほぼ相似形状にするのは、遮蔽板４１の厚みの薄い場合に限られる。厚みを考慮した場合は、相似形状に対してやや変形した形状とする。また、板状ミラー２３は、前述したように、傾斜角の調整が行われるため、固着された遮蔽板４１の傾斜角度が変わり、照射形状Ｌｐ１の正確な形状は、調整後に決まる。このような理由から楕円形アパーチャ４２と照射形状Ｌｐ１の形状の関係は、相似から離れてしまうことはあるが、長軸の方向は、常に、光軸Ｃｌに対する遮蔽板４１の傾斜方向となる。また、楕円形アパーチャ４２の楕円と照射形状Ｌｐ１の楕円とは、中心位置としての長軸と短軸の交点が同一位置になっている（図４Ｂ）。
　ここで、光ビームＬｐの横断面における照度分布を考えるために、該横断面における照度γについて所定値γ１を定義する。なお、光ビームＬｐの横断面の照度γは、該横断面の中心、すなわち光軸Ｃｌとの交点で最大で、光軸Ｃｌから径方向に離れるに連れて低下して、最終的に照度＝０となる。照射形状Ｌｐ１は、照度γが所定値γ２（０＜γ２＜γ１）以上の領域として定義される。所定値γ１，γ２は、それぞれ照度γの最大値の０．５倍及び０．３倍である。
　なお、横断面上の各位置を通過する光線は、説明の便宜上、該位置における照度を保持して（実際には損失が存在する。）、投影スクリーン５０に到達すると仮定する。そして、投影スクリーン５０の光スポット５１の照度は、投影スクリーン５０における各光線の入射点を光スポット５１に集合させて生じる照度であるとする。
　光ビームＬｐは、楕円形アパーチャ４２を通過することにより横断面において周縁の、換言すると、径方向に外側の照度γがγ１未満の領域がカットされる。図４Ｂにおける照射形状Ｌｐ１より内側で楕円形アパーチャ４２より外側の領域がカットされる領域である。この結果、板状ミラー２３で反射して楕円形アパーチャ４２から出射直後の光ビームＬｐは、照度γがγ１以上の横断面が円形の光ビームとなる。光ビームＬｐは、その後、回転型ミラー２５の方へ光路に沿って進む。
　光ビームＬｐは、次に、遮蔽板４５の楕円形アパーチャ４６を通過して、回転型ミラー２５に達する。楕円形アパーチャ４６は、遮蔽板４１の楕円形アパーチャ４２と同様に、遮蔽板４５に対して垂直な方向（回転型ミラー２５の法線の方向）から光軸Ｃｌの方向から見て楕円である（図４Ｄ）。楕円形アパーチャ４６内における光ビームＬｐの照射領域の照射形状Ｌｐ２は、楕円であり、楕円形アパーチャ４６の楕円の内側に生成される。
　楕円形アパーチャ４６の長軸と短軸との寸法比βをβ２（＝Ｄａ２／Ｄｂ２）とする。β１≠β２の関係がある。
　楕円形アパーチャ４６は、上流側（板状ミラー２３側）及び下流側（ＭＥＭＳ光偏向器２０側）から光軸方向から見た場合は（図４Ｅ）、垂直な方向から見るよりも真円に近い、すなわち長軸と短軸の比がβ２より１に近い円形である。この円の直径αをα２とする。α１＞α２である。
　楕円形アパーチャ４２，４６は、光軸Ｃｌに対する傾斜角が異なるので、楕円の形状は、相似とならない。したがって、楕円形アパーチャ４２，４６は、光軸Ｃｌの方向から見て、共に円形であるにもかかわらず、β１≠β２の設定が可能となる。光ビームＬｐの光軸Ｃｌに対しての傾斜角度（光軸Ｃｌに対して垂直方向を傾斜角度＝０°と定義する。）が大きい角度で傾斜して配置される遮蔽板のほど楕円形アパーチャの長軸を長く、すなわち寸法比βを大きくすることが好ましい。
　光ビームＬｐは、楕円形アパーチャ４６を通過してから回転型ミラー２５に照射形状Ｌｐ２で照射される。照射形状Ｌｐ２は楕円形アパーチャ４６よりも小さい楕円形状である。
　図４において不図示であるが、光ビームＬｐは遮蔽板４１の楕円形アパーチャ４２の通過の際に回折光を発生させる。回折光は光ビームＬｐよりも大きな範囲で広がる弱い光である。遮蔽板４５はこの回折光が回転型ミラー２５で反射されてしまうことを防止する。また照射形状Ｌｐ２は楕円形アパーチャ４６よりも小さく、全体が楕円形アパーチャ４６の内側に収まるようになっているため、遮蔽板４５からさらに回折光が生じることを防止している。
　楕円形アパーチャ４６から出射した光ビームＬｐは、斜め下方（Ｘ軸方向に板状ミラー２３から離れる方向）に進んで、ＭＥＭＳ光偏向器２０の回動ミラー２１の中心に到達する。
　ＭＥＭＳ光偏向器２０の回動ミラー２１は、相互に交差する２軸の回りにそれぞれ非共振及び共振で回動している。２軸は、回動ミラー２１の静止時はそれぞれＸ軸及びＹ軸に平行になる。回動ミラー２１から出射される光ビームＬｐは、２軸の回りの回動ミラー２１の往復回動のために、２次元走査の走査光となる。なお、共振周波数及び非共振周波数は、例えば、それぞれ１４ｋＨｚ以上及び６０Ｈｚである。また、Ｘ軸回りの回動ミラー２１の（非共進側）往復回動角は、Ｙ軸回りの回動ミラー２１の（共進側）往復回動角より小さい。
　なお、実施形態では、共振軸回りの回動ミラー２１の往復回動及び非共振軸回りの回動ミラー２１の往復回動は、それぞれ後述の投影スクリーン５０の水平方向及び垂直方向に対応するものとして説明する。
　光ビームＬｐは、回動ミラー２１で反射することにより走査光となって、光走査装置１０から出射し、光走査装置１０の外部の投影スクリーン５０上を走査する。投影スクリーン５０における光ビームＬｐの照射点には光スポット５１が生成される。投影スクリーン５０上を走査する光スポット５１は、水平方向及び垂直方向がそれぞれ長辺及び短辺となる矩形の映像領域を生成する。
　面積は、上流側の楕円形アパーチャ４２の方が下流側の楕円形アパーチャ４６より大きい。楕円形アパーチャ４２，４６共に、光軸Ｃｌの方向に上流側から見たとき円形であるが、この円の直径は、上流側の楕円形アパーチャ４２の方が下流側の楕円形アパーチャ４６より大きい。
　光ビームＬｐの周囲を遮蔽板４１の楕円形アパーチャ４２と、遮蔽板４５の楕円形アパーチャ４６との２段階で周縁カットすることにより、光ビームＬｐの横断面の整形効果を高めることができる。また、光スポット５１とその周囲とのコントラストを１段階の周縁カットよりも高めることができる。
　また、遮蔽板４１，４５は、それぞれ板状ミラー２３及び回転型ミラー２５に接着等の装着で取り付けられている。
　上記のような説明及び図４において、投影スクリーン５０は、ＭＥＭＳ光偏向器２０が停止した状態で、光軸Ｃｌに対し垂直な面であることを想定している。光スポット５１は真円を理想として長軸と短軸の比が１に近づくように設計される。
　しかし、用途や部材の配置によって投影スクリーン５０は、ＭＥＭＳ光偏向器２０が停止した状態で、光軸Ｃｌに対し傾斜した面となる場合もある。図３の眼鏡型映像表示装置１５５の場合、網膜が投影スクリーン５０に相当するが、想定される網膜の位置に対し、ＭＥＭＳ光偏向器２０が停止した状態の光ビームＬｐの光軸Ｃｌが傾斜することになる位置に光走査装置１０が配置されることもあり得る。その場合、投影スクリーン５０光軸Ｃｌに対し垂直な面である場合に比べると、形成される光スポット５１は光ビームＬｐの光軸Ｃｌの傾斜方向に伸びた形状に変形してしまう。このような投影スクリーン５０位置による光スポット５１の変形は他の用途、プロジェクターなどでも生じ得る。プロジェクターの場合は、プロジェクターが置かれる面に対し垂直な壁が投影スクリーン５０として想定することができる。
　よって、光走査装置１０から照射される光ビームＬｐは、光軸Ｃｌと垂直な断面形状が、あらかじめ想定される投影スクリーン５０へのＭＥＭＳ光偏向器２０が停止した状態での光軸Ｃｌの傾斜方向と、垂直な方向に長軸を有する楕円形状になるようにすることが好ましい。
　図６は、投影スクリーン５０が光軸Ｃｌに対し傾斜している場合の光スポット５１の形状を示す図である。投影スクリーン５０の傾斜角度は、投影スクリーン５０のスクリーン面が光ビームＬｐの光軸Ｃｌに対して垂直面となるときを０°と定義する。光軸Ｃｌに垂直な横断面が楕円であった光ビームＬｐが投影スクリーン５０上では真円となっている。正確に真円とならなくても、このような光ビームＬｐとすることで投影スクリーン５０上の光スポット５１の長軸と短軸の比を１に近づけるようにすることができる。
　光ビームＬｐについて光軸Ｃｌと垂直な断面形状を横断面形状と呼ぶことにする。光ビームＬｐの横断面形状は、遮蔽板４１の楕円形アパーチャ４２及び遮蔽板４５の楕円形アパーチャ４６の形状を調整することによって整形することが可能である。
　光走査装置１０では、光ビームＬｐの周縁を楕円形アパーチャ４２，４６でカットすることにより、投影スクリーン５０における光スポット５１のコントラストが高まる。この結果、ユーザが見る映像の品質を高めることができる。
　なお、上記実施形態においては、集光レンズ１９による集光によって光ビームＬｐの横断面の径が狭まるようにしているが（図４Ａ）、光ビームＬｐを横断面の径が一定である平行光とするようにしてもよい。なお、平行光とする場合でも集光レンズ１９と称する。
　また、ＶＣＳＥＬ１７は１つに限られず、例えばＲＧＢの３色のＶＣＳＥＬ１７を並べて使用してもよい。この場合、板状ミラー２３は各ＶＣＳＥＬ１７に配置される。また、板状ミラー２３はダイクロイックミラーであることで各ＶＣＳＥＬ１７を合わせることができる。
　また、遮蔽板４１、４５の２枚の遮蔽板を使用したが、本発明では、少なくても１枚の遮蔽板があればよい。
　図７は、ＲＧＢのＶＣＳＥＬ１７Ｒ，Ｇ，Ｂを装備する光走査装置６１の主要部の模式図である。ＶＣＳＥＬ１７Ｒ，Ｇ，Ｂは、共通の基板１５（図１Ａ）上にＸ軸方向に一列に実装される。ＶＣＳＥＬ１７Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の直上には、集光レンズ１９及びダイクロイックミラー６５が対向して配列されている。
　ＶＣＳＥＬ１７Ｒ，Ｇ，Ｂから直上に出射したＲ，Ｇ，Ｂの各光ビームは、集光レンズ１９及びダイクロイックミラー６５を経て統合された光ビームＬｐを生成する。光ビームＬｐは、基板１５に対して平行に回転型ミラー２５の方へ向かい、遮蔽板４５の楕円形アパーチャ４６により周縁部をカットされてから、ＭＥＭＳ光偏向器２０に向かう。
　光走査装置６１は、遮蔽板４１を有していない。遮蔽板４５の楕円形アパーチャ４６が、遮蔽板４５に対する光ビームＬｐの照射領域より小さく、光ビームＬｐを整形する機能、すなわち図４の実施形態での楕円形アパーチャ４２と同じ機能を有している。
　（別の実施形態）
　図５は、板状ミラー２３に代えて凹面ミラー５３を有する光走査装置１０の主要部の構成図である。凹面ミラー５３は、遮蔽板４１の上面側から楕円形アパーチャ４２に臨むように、遮蔽板４１に周縁において固着（例：接着）されている。凹面ミラー５３は、例えば、所定の型枠を用いて遮蔽板４１と一体成型で製造することもできる。板状ミラー２３に代えて凹面ミラー５３を用いる場合、遮蔽板４１の一端部が傾斜溝３０（図２等）の方に延長されて、傾斜溝３０に直接、固着される。
　（変形例等）
　実施形態の光走査装置１０では、光源としてＶＣＳＥＬ１７が用いられている。本発明の光源は、ＶＣＳＥＬ１７に限定されず、ＶＣＳＥＬ１７以外にも例えば端面発光レーザ（Edge Emitting Laser）を選択することもできる。
　光走査装置１０では、ＶＣＳＥＬ１７は、光軸Ｃｌを直上に出射している。本発明の光走査装置では、光源は、光ビームを、上方（例：直上）に出射しなくてもよい。本発明の光走査装置では、光源は、光ビームを上方以外の方向に光ビームを出射しても、複数の光路生成ミラーが、光源から出射された光ビームをＭＥＭＳ光偏向器のミラー部に入射させるように、光路を生成するようになっていればよい。
　光走査装置１０では、遮蔽板４１，４５は、いずれもそれぞれの対応光路生成ミラーとしての板状ミラー２３及び回転型ミラー２５に装着等により取り付けられている。本発明の光走査装置では、遮蔽板は、光路上、対応光路生成ミラーに対して上流側に対応光路生成ミラーから離して配設することもできる。その場合、光路上、対応光路生成ミラーに対して上流側に対応光路生成ミラーから離して配設した遮蔽板は、対応光路生成ミラーの下流側の光路に干渉しないように配設されなければならない。
　光走査装置１０では、遮蔽板４１，４５は、対応光路生成ミラーとしての板状ミラー２３及び回転型ミラー２５に対して平行に配設されている。これに対して、図５の凹面ミラー５３は、ミラー面が曲面であるので、遮蔽板４１に対する平行の概念は定義できない。板状ミラー２３、回転型ミラー２５及び凹面ミラー５３を含めて、入射側の光軸Ｃｌと遮蔽板及び光路生成ミラーとが交わる交点に法線を立てて、入射側の光軸Ｃｌに対する遮蔽板の法線及び光路生成ミラーの法線を遮蔽板及び光路生成ミラーの傾斜角と定義する。そのときの遮蔽板及び光路生成ミラーの傾斜角は、交点における光ビームＬｐに対する垂直面の傾斜角を０°と定義したとき、０°となる。
１０，６１・・・光走査装置、１７・・・ＶＣＳＥＬ、１９・・・集光レンズ、２０・・・ＭＥＭＳ光偏向器、２１・・・回動ミラー、２３・・・板状ミラー（光路生成ミラー）、２５・・・回転型ミラー（光路生成ミラー）、４１，４５・・・遮蔽板、４２，４６・・・楕円形アパーチャ、５３・・・凹面ミラー（光路生成ミラー）。

Claims (7)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に実装され、光ビームを出射する光源と、
    　上面側がミラー面であるミラー部及び前記ミラー部を軸の回りに往復回動させるアクチュエータを有し、前記基板に実装されるＭＥＭＳ光偏向器と、
    　前記光源から出射された前記光ビームが前記ＭＥＭＳ光偏向器の前記ミラー部に入射する光路を生成する少なくとも１つの光路生成ミラーと、
    　前記光路において前記光源からの出射光が最初に入射する光路生成ミラーとの間に配置される集光レンズと、
    　前記光路において前記光路生成ミラーのいずれかを対応光路生成ミラーとして前記対応光路生成ミラーの上流側にかつ前記光路の光軸に対して前記対応光路生成ミラーの傾斜する方向と同一の傾斜する方向で配置される第１の楕円形アパーチャを有する第１の遮蔽板と、
    を備えることを特徴とする光走査装置。
  2. 　請求項１記載の光走査装置において、
    　前記第１の遮蔽板は、前記対応光路生成ミラーに取り付けられ、
    　前記第１の遮蔽板の前記第１の楕円形アパーチャは、前記光路において前記対応光路生成ミラーに対して下流側から前記光軸方向から見たときに、前記第１の遮蔽板を垂直方向から見たときよりも長軸と短軸の比が１に近い円形であることを特徴とする光走査装置。
  3. 　請求項１又は２記載の光走査装置において、
    　さらに、前記光路上に前記第１の遮蔽板より下流側に、第２の楕円形アパーチャを有する第２の遮蔽板を備え、
    　各遮蔽板における楕円形アパーチャの長軸と短軸との比は、相互に相違していることを特徴とする光走査装置。
  4. 　請求項３記載の光走査装置において、
    　前記第２の遮蔽板の前記楕円形アパーチャのアパーチャ面積は、前記第１の遮蔽板の前記楕円形アパーチャのアパーチャ面積より小さいことを特徴とする光走査装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の光走査装置において、
    　前記光路生成ミラーの少なくとも１つは、凹面ミラーであることを特徴とする光走査装置。
  6. 　請求項１又は２記載の光走査装置において、
    　さらに、前記光路上の前記第１の遮蔽板より下流側に第２のアパーチャを有する第２の遮蔽板が配設され、
    　前記第１の遮蔽板に対して前記光ビームは、前記第１の楕円形アパーチャよりも大きな照射領域を形成し、
    　前記第２の遮蔽板は、前記光ビームが第２のアパーチャの内側を通過する位置に配置されていることを特徴とする光走査装置。
  7. 　光ビームを出射する光源と、
    　上面側がミラー面であるミラー部及び前記ミラー部を軸の回りに往復回動させるアクチュエータを有するＭＥＭＳ光偏向器と、
    　前記光源から出射された前記光ビームが前記ＭＥＭＳ光偏向器の前記ミラー部に入射する光路に配置される第１のアパーチャを有する第１の遮蔽板と、
    　前記光路上で前記第１の遮蔽板より下流側に配置される第２のアパーチャを有する第２の遮蔽板と、
    を備え、
    　前記第１の遮蔽板に対して前記光ビームは、前記第１のアパーチャよりも大きな照射領域を形成し、
    　前記第２の遮蔽板は、前記光ビームが第２のアパーチャの内側を通過する位置に配置されていることを特徴とする光走査装置。
     
     
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