JP2007010823A - Driven mirror, light scanning optical apparatus and picture display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロジェクタやレーザビームプリンタ等に用いられる光源からの光を走査する駆動ミラーに関し、より詳細には、1次元の光走査を高速に行うことが可能な小型駆動ミラーに関する。また本発明は、そのような駆動ミラーを備えることにより、所定の方向に対して光を高速に走査することが可能で、また、装置全体のサイズを小型にできる光走査光学装置に関する。更に本発明は、そのような駆動ミラーや光走査光学装置を備える画像表示装置に関する。 The present invention relates to a drive mirror that scans light from a light source used in projectors, laser beam printers, and the like, and more particularly to a small drive mirror that can perform one-dimensional light scanning at high speed. The present invention also relates to an optical scanning optical apparatus that can scan light in a predetermined direction at a high speed by including such a drive mirror and can reduce the size of the entire apparatus. Furthermore, the present invention relates to an image display device including such a drive mirror and an optical scanning optical device.
画像表示装置等においては、スクリーン等に映像を映し出すにあたって、光源からの光ビームを2次元に走査する。この点、光ビームを2次元に走査する方法としては、光ビームを1次元に走査する2つのガルバノミラーを組み合わせる方法や、或いは2つのポリゴンミラーを組み合わせる方法等が知られている。 In an image display device or the like, a light beam from a light source is two-dimensionally scanned when displaying an image on a screen or the like. In this regard, as a method of scanning a light beam in two dimensions, a method of combining two galvanometer mirrors that scan a light beam in one dimension, a method of combining two polygon mirrors, or the like is known.
しかし、2つのガルバノミラー等を組み合わせて光源からの光ビームを走査する方式の場合、画像表示装置の装置全体の大きさが大きくなるという問題がある。また、2つのガルバノミラー等の位置関係を精密に調整する必要があるために設計が非常に難しいという問題がある。 However, in the case of a system in which a light beam from a light source is scanned by combining two galvanometer mirrors or the like, there is a problem that the overall size of the image display apparatus increases. In addition, there is a problem that the design is very difficult because the positional relationship between the two galvanometer mirrors and the like needs to be precisely adjusted.
このため、例えば特許文献1においては、レーザ光を反射し、X軸、Y軸方向に変位可能なシリコン基板で形成されたミラー部と、ミラー部を両側から支持するシリコン基板で形成された梁部と、を備え、ミラー部を静電方式で駆動する2次元走査型の光スキャナが提案されている。また、特許文献2においは、X、Y方向に光走査可能で、ミラーを電磁駆動方式で走査する2次元MEMSスキャナが紹介されている。そして、これらの光走査装置を用いれば、画像表示装置等の装置サイズを小さくすることが可能となる。
For this reason, in
しかしながら、これらの2次元走査型の光スキャナでは、例えば光源からの光ビームを水平方向と垂直方向に走査する場合、水平方向と垂直方向の駆動方式が同一であるために、水平方向と垂直方向で走査速度に大きな差を設けることが難しい。このため、この2次元走査型の光スキャナを用いて、例えばスクリーン等の表示部に画像を表示する場合、垂直方向の解像度について高解像度を得ることは難しい。また、特に静電方式で駆動する場合には、発生力が小さいために大きなミラーを駆動するのが難しいという問題もある。更に、このような2次元走査光スキャナは、ジンバル方式で1枚のウェハーから作製されるが、この場合、作製プロセスが複雑になるという問題もある。 However, in these two-dimensional scanning type optical scanners, for example, when the light beam from the light source is scanned in the horizontal direction and the vertical direction, the driving methods in the horizontal direction and the vertical direction are the same. Therefore, it is difficult to provide a large difference in scanning speed. For this reason, when an image is displayed on a display unit such as a screen using the two-dimensional scanning optical scanner, it is difficult to obtain a high resolution in the vertical direction. In particular, when driven by an electrostatic method, there is a problem that it is difficult to drive a large mirror because the generated force is small. Further, such a two-dimensional scanning light scanner is manufactured from a single wafer by the gimbal method, but in this case, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated.
他の2次元光走査装置としては、特許文献3に電磁駆動方式の1次元光走査装置を別体の駆動装置で、回転駆動、直線駆動、及び揺動駆動することにより、光源からの光ビームを2次元走査する装置が提案されている。これによると、光の走査方向によって駆動方式が異なるため、水平方向と垂直方向で走査速度に差をつけることは可能となる。しかしながら、1次元光走査装置が電磁駆動方式や静電方式で駆動される場合、ミラーの走査速度やミラーのサイズ等について制約が大きく、例えば高解像度の映像を得ようとした場合に問題が生じる場合がある。
As another two-dimensional optical scanning device, a light beam from a light source can be obtained by rotating, driving, and swinging an electromagnetically driven one-dimensional optical scanning device in
この点、特許文献4においては、光走査装置の駆動方式として圧電体を用いた駆動方式とし、ばね部の構成に工夫を加えることで、反射ミラー部の共振周波数を高い周波数で維持しつつ、十分なねじれ角を得ることができる1次元の光走査を行う高速光走査装置が提案されている。この装置を用いると、ミラーサイズが1mm×1mmでミラー部の走査周波数25kHzを達成している。しかしながら、特許文献4に提案される高速光走査装置の場合、ミラーサイズを大きくすると大きな周波数を達成できず(この点については後述する。)、ミラー速度、ミラー角度、光走査装置自体の耐久性の全てを満足する構成の光走査装置を得ることは難しいという問題がある。
以上の問題点を鑑みて、本発明の目的は、光源から発せられた光ビームを走査できるように、ミラーが回転可能に設けられる駆動ミラーにおいて、ミラー速度を高速にし、ミラーの振れ角を増大しても装置耐久性の要求を満足できる駆動ミラーを提供することである。また、本発明の他の目的は、ミラーが高速度で回転し、ミラーの振れ角が大きく、耐久性も満足できる駆動ミラーを備え、所定の方向に高速に光走査ができる小型な光走査光学装置を提供することである。更に本発明の目的は、2次元に光走査を行え、2つの走査方向の走査速度に大きな差を設けられる小型の光走査光学装置を提供することである。更に、本発明の他の目的は、高解像度の画像を表示できる小型の画像表示装置を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to increase the mirror speed and increase the mirror deflection angle in a drive mirror provided with a mirror that can be rotated so that a light beam emitted from a light source can be scanned. Even so, it is an object to provide a drive mirror that can satisfy the requirement of device durability. Another object of the present invention is to provide a compact optical scanning optical system that includes a driving mirror that rotates at a high speed, has a large mirror deflection angle, and can satisfy durability, and that can perform optical scanning at high speed in a predetermined direction. Is to provide a device. A further object of the present invention is to provide a compact optical scanning optical device that can perform optical scanning in two dimensions and can provide a large difference in scanning speed in two scanning directions. Furthermore, another object of the present invention is to provide a small image display device capable of displaying a high resolution image.
上記目的を達成するために第1の発明の駆動ミラーは、光を反射する反射面を設けたミラー部と、前記ミラー部を保持する梁と、前記梁を固定する固定部と、前記梁を圧電素子の伸縮により回転させる駆動部と、を備える駆動ミラーにおいて、前記駆動部は、前記梁を挟むように前記梁に連結される2本の腕部から成る駆動腕を少なくとも1本有し、前記腕部は前記梁と略垂直に配置され、前記腕部それぞれには前記圧電素子が設けられることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a drive mirror according to a first aspect of the present invention includes a mirror portion provided with a reflecting surface for reflecting light, a beam for holding the mirror portion, a fixing portion for fixing the beam, and the beam. And a drive mirror that is rotated by expansion and contraction of the piezoelectric element, wherein the drive unit has at least one drive arm including two arm parts coupled to the beam so as to sandwich the beam. The arm portions are arranged substantially perpendicular to the beam, and each of the arm portions is provided with the piezoelectric element.
また、第2の発明の駆動ミラーは、上記第1の発明の構成において、前記圧電素子は、前記腕部が前記梁を挟む側の裏面側に設けられることを特徴としている。 According to a second aspect of the invention, in the configuration of the first aspect, the drive mirror is characterized in that the piezoelectric element is provided on the back surface side of the arm sandwiching the beam.
また、第3の発明の駆動ミラーは、上記第1又は第2の発明の構成において、前記腕部は、前記反射面と略平行に設けられることを特徴としている。 According to a third aspect of the invention, in the configuration of the first or second aspect of the invention, the arm portion is provided substantially in parallel with the reflecting surface.
また、第4の発明の駆動ミラーは、上記第1乃至第3のいずれかの発明の構成において、前記2本の腕部は、前記梁の断面中心に対して略点対称に設けられることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the drive mirror according to any one of the first to third aspects, wherein the two arm portions are provided substantially in point symmetry with respect to the cross-sectional center of the beam. It is a feature.
また、第5の発明の駆動ミラーは、上記第1乃至第4のいずれかの発明の構成において、前記駆動部は、前記駆動腕を2つ有し、前記駆動腕は前記ミラー部を挟んで対称に設けられることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the invention, in the drive mirror according to any one of the first to fourth aspects of the invention, the drive unit has two drive arms, and the drive arm sandwiches the mirror unit. It is characterized by being provided symmetrically.
また、第6の発明の駆動ミラーは、上記第1乃至第5のいずれかの発明の構成において、前記固定部は、前記ミラー部を囲むように配置され、前記腕部の一端は前記固定部に連結されることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the drive mirror according to any one of the first to fifth aspects of the invention, the fixed portion is disposed so as to surround the mirror portion, and one end of the arm portion is the fixed portion. It is connected to.
また、第7の発明の駆動ミラーは、上記第1乃至第6のいずれかの発明の構成において、前記ミラー部は、共振により振動するように設けられていることを特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a drive mirror according to any one of the first to sixth aspects, wherein the mirror portion is provided so as to vibrate by resonance.
また、第8の発明の光走査光学装置は、上記第1乃至第7のいずれかの発明の構成の駆動ミラーを備えることを特徴としている。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an optical scanning optical apparatus including the drive mirror having the structure according to any one of the first to seventh aspects.
また、第9の発明の光走査光学装置は、光源と、該光源から出射された光を平行光に変換するコリメート光学系と、該コリメート光学系を通過した光を反射する反射面が設けられるミラー部を駆動することにより光を2次元的に走査する光走査部と、該光走査部で走査された光を表示部へと導く投影光学系とを備える光走査光学装置において、前記光走査部の2次元的な光走査は、前記ミラー部を、前記反射面の略中心を通り前記反射面に平行で互いに直交する2つの回転軸を中心に回転することによって行われ、前記回転軸による回転駆動のうち一方は、前記ミラー部を有し、1次元に光走査可能な駆動ミラーで行い、他方は前記駆動ミラー全体を一体で回転する全体駆動装置を用いて行われることを特徴としている。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an optical scanning optical device comprising: a light source; a collimating optical system that converts light emitted from the light source into parallel light; and a reflecting surface that reflects light that has passed through the collimating optical system. In the optical scanning optical apparatus comprising: an optical scanning unit that scans light two-dimensionally by driving a mirror unit; and a projection optical system that guides the light scanned by the optical scanning unit to a display unit. The two-dimensional optical scanning of the part is performed by rotating the mirror part around two rotation axes that pass through the approximate center of the reflection surface and are parallel to the reflection surface and orthogonal to each other. One of the rotational driving is performed by a driving mirror having the mirror portion and capable of optical scanning in one dimension, and the other is performed by using an entire driving device that integrally rotates the entire driving mirror. .
また、第10の発明の光走査光学装置は、上記第9の発明の構成において、前記駆動ミラーは、請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の駆動ミラーであることを特徴としている。
An optical scanning optical device according to a tenth aspect of the invention is characterized in that, in the configuration of the ninth aspect of the invention, the drive mirror is the drive mirror according to any one of
また、第11の発明の光走査光学装置は、上記第9又は第10の発明の構成において、前記全体駆動装置は、ステップ駆動することを特徴としている。 An optical scanning optical apparatus according to an eleventh aspect of the invention is characterized in that, in the configuration of the ninth or tenth aspect of the invention, the overall driving device is step-driven.
また、第12の発明の光走査光学装置は、上記第11の発明の構成において、前記全体駆動装置は前記駆動ミラーと、前記駆動ミラーに連結され、前記駆動ミラーを回転可能にする回転軸と、該回転軸の軸受けと、前記回転軸を回転駆動させる回転駆動部と、を備え、前記回転駆動部は、ベース上に固定され所定の位相差をもって伸縮振動する第1変位部及び第2変位部と、両変位部を連結して楕円回転を発生しつつ前記回転軸に押圧されるチップ部とから成ることを特徴としている。 An optical scanning optical device according to a twelfth aspect of the invention is the configuration according to the eleventh aspect of the invention, wherein the overall driving device is connected to the driving mirror and a rotation shaft connected to the driving mirror and capable of rotating the driving mirror. And a rotation drive unit that rotates the rotation shaft, and the rotation drive unit is fixed on the base and is subjected to expansion and contraction vibration with a predetermined phase difference. And a tip portion that is pressed against the rotation shaft while generating elliptical rotation by connecting both displacement portions.
また、第13の発明の光走査光学装置は、上記第12の発明の構成において、前記チップ部が楕円回転を1回転する際に前記回転軸が回転する回転量をA、前記全体駆動装置の駆動により光を走査して、その光走査方向に前記表示部における画像を1画素分移動するのに必要な前記回転軸の回転量をBとした時に、以下の式(A)を満たすことを特徴としている。
B/A>3 ・・・(A)
The optical scanning optical device according to a thirteenth aspect of the invention is the configuration of the twelfth aspect of the invention, wherein the rotation amount of the rotation shaft when the tip portion makes one elliptical rotation is A, When the light is scanned by driving and the amount of rotation of the rotating shaft necessary to move the image on the display unit by one pixel in the light scanning direction is B, the following equation (A) is satisfied. It is a feature.
B / A> 3 (A)
また、第14の発明の光走査光学装置は、上記第9乃至第13のいずれかの発明の構成において、前記投影光学系は、前記光走査部が光走査する2方向のそれぞれで射影方式が異なるように設けられていることを特徴としている。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the optical scanning optical apparatus according to any one of the ninth to thirteenth aspects, the projection optical system has a projection method in each of two directions in which the optical scanning unit performs optical scanning. It is characterized by being provided differently.
また、第15の発明の光走査光学装置は、上記第14の発明の構成において、前記射影方式は、前記投影光学系の焦点距離をf(mm)、前記表示部の中心に向かう光束の中心光線を光軸とし、前記ミラー部で反射され前記投影光学系へ入射する入射光を、前記光軸を含み前記2方向のうち前記駆動ミラーによって光走査を行う第1の方向に平行な面に投影した場合に、投影した光が前記光軸となす角をθ(rad)、前記θがとり得る値の最大値をθmax、前記入射光を、前記光軸を含み前記2方向のうち前記第1の方向と異なる第2の方向に平行な面に射影した場合に、射影した光が前記光軸となす角をφ(rad)、前記表示部上において、前記表示部の中心を通る前記第1の方向と直交する直線と前記入射光が前記表示部へ投影されて作る像との距離をy1(mm)、前記表示部の中心を通る前記第2の方向と直交する直線と前記入射光が前記表示部へ投影されて作る像との距離をy2(mm)、aとkを所定の係数とした時に、前記第1の方向と前記第2の方向への射影方式はそれぞれ次の式(B)、(C)で表されることを特徴としている。
y1=a・arcsin(k・θ/θmax) ・・・(B)
y2=f・φ ・・・(C)
An optical scanning optical device according to a fifteenth aspect of the invention is the configuration according to the fourteenth aspect of the invention, wherein the projection method uses a focal length of the projection optical system as f (mm) and the center of the light beam toward the center of the display unit. Incident light that is reflected by the mirror unit and incident on the projection optical system with a light beam as an optical axis is parallel to a first direction that includes the optical axis and that performs optical scanning by the drive mirror in the two directions. When projected, the angle formed by the projected light and the optical axis is θ (rad), the maximum value that θ can take is θmax, the incident light includes the optical axis, and the second of the two directions includes the optical axis. When projected onto a plane parallel to a second direction different from the first direction, the angle formed by the projected light with the optical axis is φ (rad), and the second part passes through the center of the display unit on the display unit. The straight line orthogonal to the
y1 = a · arcsin (k · θ / θmax) (B)
y2 = f · φ (C)
また、第16の発明の光走査光学装置は、上記第14又は第15の発明の構成において、前記投影光学系には、アナモルフィック非球面レンズ又は自由曲面レンズが使用されることを特徴としている。 An optical scanning optical device according to a sixteenth aspect of the invention is characterized in that, in the configuration of the fourteenth or fifteenth aspect, an anamorphic aspherical lens or a free-form surface lens is used for the projection optical system. Yes.
また、第17の発明の光走査光学装置は、上記第9乃至第16のいずれかの発明の構成において、前記光源と前記光走査部との間に色合成プリズムが配置されていることを特徴としている。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the configuration of any one of the ninth to sixteenth aspects, a color combining prism is disposed between the light source and the optical scanning unit. It is said.
また、第18の発明の画像表示装置は、請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の駆動ミラーを備えることを特徴としている。 According to an eighteenth aspect of the present invention, an image display apparatus includes the drive mirror according to any one of the first to seventh aspects.
また、第19の発明の画像表示装置は、画像信号を入力する画像信号入力部と、該画像信号入力部に入力された画像信号を輝度信号に変換する輝度信号変換部と、該輝度信号変換部で変換された輝度信号に基づいて光源の強度を制御する光源輝度制御部と、前記光源から出射される光の周波数を変調する光源周波数変調部と、を有する光制御部と、請求項9乃至請求項17のいずれかに記載の光走査光学装置とを備え、前記表示部の水平方向の光走査は前記駆動ミラーを用い、前記表示部の垂直方向の光走査は前記全体駆動装置を用い、前記水平方向の走査速度が前記垂直方向の走査速度よりも高速であることを特徴としている。
According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided an image display device for inputting an image signal, a luminance signal conversion unit for converting the image signal input to the image signal input unit into a luminance signal, and the luminance signal conversion. A light control unit comprising: a light source luminance control unit that controls the intensity of the light source based on the luminance signal converted by the unit; and a light source frequency modulation unit that modulates a frequency of light emitted from the light source, 18. The optical scanning optical device according to
また、第20の発明の画像表示装置は、上記第19の発明の構成において、前記水平方向の走査速度をVx、前記垂直方向の走査速度をVyとした時に、VxとVyが以下の式(D)を満たすことを特徴としている。
Vx/Vy>500 ・・・(D)
An image display device according to a twentieth aspect of the present invention is the image display device according to the nineteenth aspect of the invention, wherein Vx and Vy are expressed by the following equations when the horizontal scanning speed is Vx and the vertical scanning speed is Vy: D) is satisfied.
Vx / Vy> 500 (D)
また、第21の発明の画像表示装置は、上記第19又は第20の発明の構成において、前記垂直方向の走査周波数が50Hzより大きいことを特徴としている。 An image display apparatus according to a twenty-first aspect is characterized in that, in the configuration of the nineteenth or twentieth aspect, the vertical scanning frequency is higher than 50 Hz.
また、第22の発明の画像表示装置は、上記第19乃至第21のいずれかの発明の構成において、前記光源周波数変調部は、前記表示部の前記水平方向の中心側と端部側とで前記光源から出射される光の周波数が異なるように変調することを特徴としている。 According to a twenty-second aspect of the present invention, in the configuration of any one of the nineteenth to twenty-first aspects, the light source frequency modulation section is provided between the horizontal direction center side and the end side of the display section. It modulates so that the frequency of the light radiate | emitted from the said light source may differ.
第1の発明の構成によれば、ミラー部が回転可能に設けられた駆動ミラーにおいて、ミラー部を回転する駆動部が圧電駆動方式のため、高速にミラーを回転することが可能となる。また、圧電素子が駆動した際の装置にかかる負荷を分散でき、更に耐久性確保のために梁の幅を増大しても、ミラー部を回転するのに必要な駆動部の変位量が変わらない構成となっているので、ミラーの走査速度の高速化、ミラーの振れ角の増大、装置の高耐久性の全てを満足する駆動ミラーを実現することができる。 According to the configuration of the first aspect of the present invention, in the drive mirror provided with the mirror unit rotatably, the drive unit that rotates the mirror unit can rotate the mirror at high speed because the drive unit that rotates the mirror unit is a piezoelectric drive system. Moreover, the load applied to the device when the piezoelectric element is driven can be dispersed, and even if the width of the beam is increased to ensure durability, the amount of displacement of the drive unit required to rotate the mirror unit does not change. With this configuration, it is possible to realize a drive mirror that satisfies all of the increase in the scanning speed of the mirror, the increase in the deflection angle of the mirror, and the high durability of the apparatus.
また、第2の発明の構成によれば、上記第1の発明の構成の駆動ミラーにおいて、圧電素子を容易に配置できる構成となり、しかも梁を挟む側に配置する場合より大きな圧電素子を配置できるために、ミラー部を駆動する駆動力を大きくできる。 Further, according to the configuration of the second invention, in the drive mirror having the configuration of the first invention, the piezoelectric element can be easily arranged, and a larger piezoelectric element can be arranged than when arranged on the side sandwiching the beam. Therefore, the driving force for driving the mirror unit can be increased.
また、第3の発明の構成によれば、上記第1又は第2の発明の構成の駆動ミラーにおいて、駆動ミラーを平らな形状とできるために、駆動ミラー全体の大きさをコンパクトにでき、更にプロセス加工し易くなる。 According to the configuration of the third aspect of the invention, in the drive mirror having the configuration of the first or second aspect of the invention, since the drive mirror can be made flat, the overall size of the drive mirror can be made compact. It becomes easy to process.
また、第4の発明の構成によれば、上記第1乃至第3のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、ミラー部を保持する梁を安定して支えることができる構造とできるため、耐久性に優れる駆動ミラーを実現できる。 Further, according to the configuration of the fourth aspect of the invention, in the drive mirror having the configuration of any one of the first to third aspects of the invention, a structure that can stably support the beam that holds the mirror portion can be obtained. A drive mirror with excellent performance can be realized.
また、第5の発明の構成によれば、上記第1乃至第4のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、ミラー部を保持するために設けられた梁を回転する駆動部をミラー部の両側に対称に設けているために、各駆動部に印加する電圧を減らすことができ、各駆動部にかかる負荷を低減することが可能となる。また、駆動ミラーの構造が安定した形状となるために、耐久性の向上を図ることが可能となる。 According to the configuration of the fifth invention, in the drive mirror having the configuration of any one of the first to fourth inventions, the drive unit for rotating the beam provided to hold the mirror unit is provided on the mirror unit. Since they are provided symmetrically on both sides, the voltage applied to each drive unit can be reduced, and the load on each drive unit can be reduced. Further, since the structure of the drive mirror has a stable shape, it is possible to improve durability.
また、第6の発明の構成によれば、上記第1乃至第5のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、駆動部を取り付けるための固定部分を別途設ける必要がなく、余計な部品点数の増加を避けることが可能となる。また、駆動ミラーを平らに構成できるために駆動ミラー全体の大きさをコンパクトにでき、更にプロセス加工し易い形状となる。 According to the configuration of the sixth invention, in the drive mirror having the configuration of any of the first to fifth inventions, there is no need to separately provide a fixing portion for attaching the drive unit, and there is an extra number of parts. An increase can be avoided. Further, since the drive mirror can be configured flat, the size of the drive mirror as a whole can be made compact, and the process can be easily processed.
また、第7の発明の構成によれば、上記第1乃至第6のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、ミラー部の振動が共振であるために、低消費電力でミラー部の振れ角が大きい駆動ミラーを得ることが可能となる。 According to the configuration of the seventh aspect of the invention, in the drive mirror having the configuration of any one of the first to sixth aspects of the invention, since the vibration of the mirror portion is resonance, the deflection angle of the mirror portion is low in power consumption. It becomes possible to obtain a drive mirror having a large.
また、第8の発明の構成によれば、光源から発せられた光ビームを走査する光走査装置において、ミラー部が高速度に回転し、ミラー部の振れ角が大きく、高耐久性を有する1次元に走査可能な駆動ミラーを備えているために、高速化に対応した光走査装置を得ることが可能となる。 According to the configuration of the eighth invention, in the optical scanning device that scans the light beam emitted from the light source, the mirror portion rotates at a high speed, the deflection angle of the mirror portion is large, and the durability is high. Since the driving mirror capable of scanning in dimension is provided, it is possible to obtain an optical scanning device corresponding to high speed.
また、第9の発明の構成によれば、光源から発せられた光ビームを2次元的に光走査し、投影光学系を用いて表示部へ光を導く光走査光学装置において、光走査部が光走査を行う2つの方向で、光走査の駆動方式が異なるために、2つの方向の光走査速度に大きな差を設けることが可能となる。また、駆動方式が別駆動であっても、2方向への光走査を反射面の中心を通り、反射面に平行で互いに直行する2つの軸を中心にミラー部を回転する方式で行っているので、反射面付近に瞳を配すことができ光走査光学装置全体が大型にならない。 According to the ninth aspect of the invention, in the optical scanning optical device that optically scans the light beam emitted from the light source two-dimensionally and guides the light to the display unit using the projection optical system, the optical scanning unit Since the optical scanning driving method is different in the two directions in which the optical scanning is performed, it is possible to provide a large difference in the optical scanning speed in the two directions. Even if the driving method is separate driving, optical scanning in two directions is performed by a method in which the mirror portion is rotated about two axes passing through the center of the reflecting surface and parallel to the reflecting surface and orthogonal to each other. Therefore, the pupil can be arranged in the vicinity of the reflecting surface, and the entire optical scanning optical device does not become large.
また、第10の発明の構成によれば、上記第9の発明の構成の光走査光学装置において、光走査部で光走査する2方向のうち一方の光走査は高速に回転できる駆動ミラーを用いることになるために、各方向の光走査速度に大きな差を設けることが容易となる。 According to the configuration of the tenth aspect of the invention, in the optical scanning optical device of the configuration of the ninth aspect of the invention, a driving mirror that can rotate at high speed is used for one of the two directions of optical scanning by the optical scanning unit. Therefore, it becomes easy to provide a large difference in the optical scanning speed in each direction.
また、第11の発明の構成によれば、上記第10の発明の構成の光走査光学装置において、駆動ミラーが一方の方向に所定量走査するごとに、全体駆動装置を用いて他の方向に走査する構成が実現できる。 According to the configuration of the eleventh aspect of the invention, in the optical scanning optical device of the configuration of the tenth aspect, every time the drive mirror scans a predetermined amount in one direction, the whole drive device is used in the other direction. A configuration for scanning can be realized.
また、第12の発明の構成によれば、上記第11の発明の構成の光走査光学装置において、全体駆動装置のサイズをコンパクトに設計できるために、2次元型の光走査装置全体の大きさを小型化できる。 According to the configuration of the twelfth aspect of the invention, in the optical scanning optical device of the configuration of the eleventh aspect of the invention, since the size of the entire drive device can be designed compactly, the size of the entire two-dimensional type optical scanning device Can be miniaturized.
また、第13の発明の構成によれば、上記第12の発明の構成の光走査光学装置において、全体駆動装置による光走査を小刻みに段階的に行うように設定しているので、全体駆動装置のチップ部が1回の回転で回転軸を回転する回転量に誤差が生じても、その誤差の修正が行い易い。 According to the configuration of the thirteenth aspect of the invention, in the optical scanning optical device of the configuration of the twelfth aspect of the invention, since the optical scanning by the whole driving device is set to be performed step by step, the whole driving device Even if an error occurs in the amount of rotation of the tip portion of the rotation of the rotating shaft by one rotation, it is easy to correct the error.
また、第14の発明の構成によれば、上記第9乃至第13のいずれかの発明の構成の光走査光学装置において、光走査部が光を走査する2方向のそれぞれで光走査の駆動方式が異なる場合、スクリーン等の表示部に投影される画像に歪みが発生する場合があるが、その歪みを光学系により解消できる。 According to the fourteenth aspect of the invention, in the optical scanning optical device according to any one of the ninth to thirteenth aspects of the invention, the optical scanning drive system in each of the two directions in which the optical scanning unit scans the light. If they are different, distortion may occur in an image projected on a display unit such as a screen, but the distortion can be eliminated by the optical system.
また、第15の発明の構成によれば、上記第14の発明の構成の光走査光学装置において、光走査部が走査する2方向の光の走査速度が一方の光走査が共振駆動、他方の光走査がステップ駆動の場合に発生する非対称歪みを、光学系により解消できる。 According to the configuration of the fifteenth aspect of the invention, in the optical scanning optical apparatus of the configuration of the fourteenth aspect of the invention, the scanning speed of the light in the two directions scanned by the optical scanning unit is such that one optical scanning is resonantly driven, The asymmetric distortion generated when the optical scanning is step driven can be eliminated by the optical system.
また、第16の発明の構成によれば、上記第14又は第15の発明の構成の光走査光学装置において、部品点数を少なく光走査の駆動方式の違いによる歪みの解消が可能となる。また、自由曲面レンズを用いた場合には、上述の歪みに加えて、光走査を行うミラーに、有限角度をもって光を入射させる場合に発生することがある台形的な歪みの解消も可能となる。 According to the configuration of the sixteenth aspect of the invention, in the optical scanning optical device of the configuration of the fourteenth or fifteenth aspect, it is possible to eliminate distortion due to a difference in the optical scanning drive system with a reduced number of parts. Further, when a free-form surface lens is used, in addition to the above-described distortion, it is possible to eliminate trapezoidal distortion that may occur when light is incident on a mirror that performs optical scanning at a finite angle. .
また、第17の発明の構成によれば、上記第9乃至第16のいずれかの発明の構成の光走査光学装置において、異なる波長を有する光源が複数ある場合に、複数の光源から発せられる光の合成が可能となる。また、複数の光源から出射される、異なる波長の光ビームを少ない部品点数で合成できる。 According to the configuration of the seventeenth invention, in the optical scanning optical device having the configuration of any of the ninth to sixteenth inventions, when there are a plurality of light sources having different wavelengths, the light emitted from the plurality of light sources Can be synthesized. Further, light beams having different wavelengths emitted from a plurality of light sources can be synthesized with a small number of parts.
また、第18の発明の構成によれば、上記請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の駆動ミラーを備えているために、高解像度の画像表示装置を得ることが可能となる。
According to the eighteenth aspect of the invention, since the drive mirror according to any one of
また、第19の発明の構成によれば、上記第9乃至第17のいずれかの発明の構成の光走査装置を備えているために、高解像度で小型な画像表示装置を得ることが可能となる。 According to the nineteenth aspect of the invention, since the optical scanning device according to any of the ninth to seventeenth aspects of the invention is provided, a high-resolution and small-sized image display device can be obtained. Become.
また、第20の発明の構成によれば、上記第19の発明の構成において、水平方向の光走査速度が垂直方向の光走査速度に比べて大きく設定されているために、垂直方向の解像度が増加し、VGA(横640×縦480ドットの解像度)やHDTV(横1920×縦1080ドットの解像度)の画質を得ることが可能となる。 According to the twentieth aspect of the invention, in the nineteenth aspect of the invention, since the horizontal optical scanning speed is set larger than the vertical optical scanning speed, the vertical resolution is low. As a result, the image quality of VGA (horizontal 640 × vertical 480 dots) and HDTV (horizontal 1920 × vertical 1080 dots) can be obtained.
また、第21の発明の構成によれば、上記第19又は第20の発明の構成において、画像の表示周期(フレームレート)を短く設定しているために、良好な画像が得られ、特に動画の動きを滑らかにできる。 According to the twenty-first aspect of the invention, in the nineteenth or twentieth aspect of the invention, the image display cycle (frame rate) is set short, so that a good image can be obtained. Can move smoothly.
また、第22の発明の構成によれば、上記第19乃至第21のいずれかの発明の構成において、光学系にのみならず電気制御により画像の歪みの補正が可能となる。 According to the structure of the twenty-second invention, in the structure of any one of the nineteenth to twenty-first inventions, it is possible to correct image distortion not only by the optical system but also by electric control.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の駆動ミラー及び光走査光学装置を備える画像表示装置の実施形態の一例を示したものである。なお、図1は本実施形態の画像表示装置の概略構成を示すブロック図である。図1において、画像表示装置1は、例えばパソコンやテレビ等から出力される画像信号を入力し、その処理を行う光制御部2と、光制御部2から出力される信号を受けて光の走査を行い、例えばスクリーンや壁等の表示部15に光を投光する光走査光学装置3から構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of an embodiment of an image display device provided with a drive mirror and an optical scanning optical device of the present invention. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the image display apparatus of the present embodiment. In FIG. 1, an
図2は、光走査光学装置3の外観を示す概略斜視図であり、図に示すように、光走査光学装置は、例えば直方体或いは立方体形状をしている。光走査光学装置3は超小型に構成することが可能で、例えば、図の縦、横、奥行き方向のそれぞれの長さを30mm以内に設計することも可能である。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the appearance of the optical scanning
この光走査光学装置3は、図1に示すように、それぞれが赤色、緑色、青色(以下RGBと省略する)に対応する3つの光源4〜6と、色合成プリズム7と、コリメータレンズ8と、光走査部9と、投影光学系10と、ミラー位置検知用光源12と、ミラー位置検出手段13と、光走査制御部14とから構成される。
As shown in FIG. 1, the optical scanning
そして、RGBに対応する3つ光源4〜6から出射された光は、色合成プリズム7、コリメートレンズ8の順に通過し、光走査部9で光走査されて、投影光学系10を透過して、例えばスクリーンや壁等の表示部15に結像する。
The light emitted from the three
次に、画像表示装置1における各部分の詳細について説明する。まず、光制御部2について図1及び図3を用いて説明する。なお、図3は、光制御部2の構成を示すブロック図である。図3に示すように光制御部2は画像信号入力部16と輝度信号変換部17と光源輝度制御部18と、光源周波数変調部19とを備えている。
Next, details of each part in the
画像信号入力部16は、例えばパソコンやテレビ等のメディアから出力される画像信号を入力し処理する部分である。画像信号入力部16に入力された画像信号は、輝度信号変換部17に送られて、そこで輝度信号に変換される。光源輝度制御部18は、輝度信号変換部17で変換された輝度信号に基づいてRGB各光源4〜6が強度変調した光を発生できるように、RGB各光源4〜6に駆動信号を供給する。なお、光源輝度制御部18から供給された信号に基づく光源の強度変調は、光源へ供給される電流を直接変調することにより行われる。
The image
光源周波数変調部19は、光走査部9が光を走査する走査速度とスクリーン等の表示部15に投影される画像の解像度との関係で、光源4〜6から出射される光の周波数を決定し、その信号を光源4〜6へ供給する。光制御部2はこの他にも、光走査部9が表示部15の水平方向(図1の左右方向)と垂直方向(図1の紙面方向)に光走査する動きを制御する光走査制御部14と接続されて、走査動作の同期に必要な同期信号を供給している。また、光制御部2はミラー位置検出手段13とも接続されており、ミラー位置検出手段13から供給される信号に基づいて、光源4〜6から光を出射するタイミングの制御も行っている。
The light source
次に光走査光学装置3の詳細について説明する。光源4〜6は、図1に示すように3つの光源が設けられており、例えば、光源4が赤色の半導体レーザダイオード、光源5が緑色の半導体レーザダイオード、光源6が青色の半導体レーザダイオードに対応する。そして、それぞれの半導体レーザダイオードの波長は、例えば、赤色が660nm、緑色が532nm、青色が450nmに設定されている。
Next, details of the optical scanning
なお、本実施形態では、光源に半導体レーザダイオードを用いているがこれに限定される趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変更可能である。特に、緑色の半導体レーザダイオードは、入手困難であることから、緑色のみ半導体レーザで結晶を励起する方式のDPSS(DiodePompingSolidState)レーザを外部変調器で変調するものを用いて構わない。また、赤色、緑色、青色の全ての色について、半導体レーザダイオードに代えて、発光ダイオード(LED)や固体レーザ等を光源に用いても構わない。ただし、光源のサイズは小さい方が好ましく、その点で半導体レーザダイオードが好ましい。 In this embodiment, a semiconductor laser diode is used as the light source. However, the present invention is not limited to this, and can be changed without departing from the object of the present invention. In particular, since a green semiconductor laser diode is difficult to obtain, a DPSS (Diode Pumping Solid State) laser that excites a crystal with a semiconductor laser only in green may be modulated with an external modulator. Further, for all colors of red, green, and blue, a light emitting diode (LED), a solid state laser, or the like may be used as a light source instead of the semiconductor laser diode. However, the size of the light source is preferably small, and a semiconductor laser diode is preferable in that respect.
色合成プリズム7は、光源4〜6から出射されたレーザ光を合成する役割を果たし、光源4〜6から出射されたレーザ光はここで合成され、合成された色をスクリーン等の表示部14に表示する。なお、本実施形態では、色合成プリズムを用いているがこれに限定される趣旨ではない。例えば、図4に示すようにダイクロイックミラー20、21を2つ用いて、赤色光を反射し緑色光を透過するダイクロイックミラー20で赤色と緑色の光源4、5から出射されたレーザ光を合成し、その後、青色光を反射し、赤色光と緑色光は透過するダイクロイックミラー21を用いて、先に合成されたレーザ光に青色の光源6から出射されたレーザ光を合成するような形態としても構わない。ただし、装置の部品点数を少なくすることと、装置全体のサイズを小さくできる点で色合成プリズム7を用いるのが好ましい。
The color synthesizing prism 7 plays a role of synthesizing the laser beams emitted from the
コリメータレンズ8は、光源4〜6から出射され、色合成プリズム7を通過してきた発散光を平行光へ変換するレンズである。また、コリメータレンズ8は、投影光学系10で発生する色収差を補正するようにピント位置が調整されている。
The
光走査部9は、コリメータレンズ9を透過してきたレーザ光を走査することができ、本実施形態においては、スクリーン等の表示部15に対して水平方向(図1の左右方向)と垂直方向(図1の紙面方向)にレーザ光を走査する。図5は、本実施形態の光走査部9を示す概略斜視図である。図5に示すように、光走査部9は1次元に光を走査することができる駆動ミラー22と、駆動ミラー22全体を、回転軸31を中心として一体で回転させる全体駆動装置23とで構成される。
The optical scanning unit 9 can scan the laser light that has passed through the collimator lens 9, and in the present embodiment, the horizontal direction (the left-right direction in FIG. 1) and the vertical direction (with respect to the
光走査部9による水平方向と垂直方向への光の走査は、駆動ミラー22に備えられるミラー部24を用いて行われる。すなわち、ミラー部24は、駆動ミラー22自身の駆動によって駆動ミラー22が備える梁25が回転されると伴に回転し、また、全体駆動装置23によって駆動ミラー22全体が回転されることによっても回転される。この時、梁25と、全体駆動装置23を回転する回転軸31の中心線31aは、ミラー部24の反射面(図の手前側)の略中心を通り、反射面に平行な面で互いが直交するように設定されている。このため、駆動ミラー22による梁25の回転によって、光を水平方向に走査できるように設定することで、全体駆動装置23によって駆動ミラー22全体を回転すると光が垂直方向に走査される。以下に、駆動ミラー22と全体駆動装置23の詳細について説明する。
The light scanning unit 9 scans light in the horizontal direction and the vertical direction by using a
まず、駆動ミラー22の詳細について図6(a)〜(c)を参照して説明する。なお、図6(a)は、本実施形態の駆動ミラー22の構成を示す概略図であり、ミラー部24の光走査を行う反射面側から見た正面図である。図6(b)は、図6(a)のAA'断面を図の左方向から見た図である。図6(c)は、図6(a)の固定枠26を除いて図の下側から見た図である。
First, details of the
図6(a)及び図6(c)に示すように、駆動ミラー22は、ミラー部24と、ミラー部24を保持する梁25と、梁25を支える固定枠26と、梁25を回転するために設けられた腕部27a〜27dと、腕部27a〜27dに設けられる圧電膜28とで構成される。なお、腕部27aと腕部27b、及び腕部27cと腕部27dは、それぞれ一対で駆動腕29a、29bを構成する。
As shown in FIGS. 6A and 6C, the
ミラー部24は、図6(a)に示されるように長方形又は正方形の矩形状に形成されており、固定枠26のほぼ中央に配置されている。また、ミラー部24の表面は、光を反射できるように例えば、AuやAl等の反射層24a(図6(c)参照)が設けられている。なお、本実施形態ではミラー部24は矩形状としたがこれに限定される趣旨ではない。
As shown in FIG. 6A, the
梁25は、図6(a)の左右方向に伸び、ミラー部24の略中心を通るようにミラー部24を支持しており、その両端は固定枠26に固定されている。そして、この梁25には腕部27a〜27dが、梁25に対して略直交し、かつミラー部24と略平行となるように取り付けられている。図6(b)に示すように、駆動腕29aを形成する腕部27aと腕部27bは、梁25の断面方向の中心に対して略点対称に設けられている。この点は、駆動腕29bを形成する腕部27cと27dについても同様である。また、駆動腕29aと駆動腕29bは、ミラー部24に対して対称位置に設けられている。
The
圧電膜28は、腕部27a、27cについては、図6(c)に示すように腕部の上面に設けられ、一方、腕部27b、27dについては腕部の下面に設けられている。すなわち、駆動腕単位で見ると(例えば腕部29aの場合について説明)、腕部27a、27bが梁25と繋げられる面と反対側の面に圧電膜28が配置されている。腕部27a〜27dに配置される圧電膜28としては、例えばPZT、ZnO、BST等が用いられる。なお、圧電膜28は図示しない電極層に挟まれており、これにより電圧を印加されて伸縮する。
As shown in FIG. 6C, the
次に駆動ミラー22の製造方法の一例を、図7を参照しながら説明する。図7は、駆動ミラー22の製造方法を示す図であり、図6(a)のB−B鎖線に沿って駆動ミラーを切った断面図を図の下側から見た図である。なお、駆動ミラー22の製法は、ここで示す方法に限定されないのは言うまでもない。
Next, an example of a method for manufacturing the
駆動ミラー22は、例えばシリコン基材を用いて作製される。まず、シリコン基材表面及び裏面を、図6に示したミラー部24と、梁25と、腕部27a〜27dが形成されるようにフォトレジストとエッチングにより加工する(工程a、工程b)。次に、シリコン基材表面側のミラー部24に、例えばAuやAl等の反射層24aを形成する(工程c)。次に、シリコン基板の表面側に下電極層30b、圧電膜28、上電極層30aの順に薄膜形成する(工程d)。更に、シリコン基板の裏面側からも同様に、下電極層30bから順に上電極層30aまで形成する(工程e)。これにより、駆動ミラー22が形成される。
The
なお、工程cから工程eの薄膜形成の方法は、スパッタリング法、化学蒸着法(CVD法)、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法(AD法)などが挙げられるが、エアロゾルデポジション法が好ましい。これによれば、スパッタリング法、CVD法、ゾルゲル法に比べてエッチング工程等が省略でき、成膜速度の向上、工程短縮が可能となる。なお、エアロゾルデポジション法とは、あらかじめ他の手法で準備された微粒子、超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、減圧雰囲気下でノズルを通して基材に噴射して被膜を形成する技術のことを示している。 In addition, examples of the thin film formation method from step c to step e include a sputtering method, a chemical vapor deposition method (CVD method), a sol-gel method, an aerosol deposition method (AD method), and the like, but the aerosol deposition method is preferable. According to this, compared with sputtering method, CVD method, sol-gel method, an etching process etc. can be omitted, and the film-forming speed can be improved and the process can be shortened. The aerosol deposition method is a technology that forms fine particles prepared by other methods in advance by mixing them with gas to form an aerosol, which is then sprayed onto a substrate through a nozzle in a reduced-pressure atmosphere to form a coating. Is shown.
次に、駆動ミラー22の動作について図8を用いて説明する。図8は、駆動ミラー22の動きを説明するための模式図で、駆動腕29aの圧電膜28に電圧が印加され、圧電膜28が伸縮する様子を示している。図8(a)は、圧電膜28に電圧が印加されておらず、ミラー部24(図6参照)も静止した状態を示している。
Next, the operation of the
図8(b)は、電極30a、30b(図7参照)間に電圧が印加されて、圧電体28が伸びた様子を示している。圧電膜28が伸びると腕部27a、27bにはそれぞれ引張り負荷が発生し、腕部27a、27bは図の矢印方向に伸びようとする。このため、腕部27a、27bに挟まれて存在する梁25は、図の反時計回り方向に回転し、ミラー部24も同時に同方向に回転する。
FIG. 8B shows a state in which a voltage is applied between the
一方、図8(c)は図8(b)の場合と逆の電圧が印加され、圧電膜28が縮んだ様子を示している。圧電膜28が縮むと腕部27a、27bにはそれぞれ圧縮負荷が発生し、腕部27a、27bは図のように撓んだ状態になろうとする。このため、腕部27a、27bに挟まれて存在する梁25は、図の時計回り方向へ回転し、ミラー部24も同時に同方向に回転する。
On the other hand, FIG. 8C shows a state where a voltage opposite to that in FIG. 8B is applied and the
電極に所定の周波数の電圧を印加すると圧電膜28は伸び縮みを繰り返すことになるため、ミラー部24は梁25を中心に所定の角度だけプラス方向とマイナス方向に振れるように振動する。なお、本実施形態においては、ミラー部24は共振するように設定されている。これにより、少ない消費電力で大きなミラー部24の走査角度を大きくすることが可能となる。
When a voltage having a predetermined frequency is applied to the electrodes, the
本実施形態の駆動ミラー22は、ミラー部24の走査速度、走査角度及び耐久性の全てを高いレベル満足できる構造となっているが、この点について計算結果を用いて説明する。ここでは、便宜上、図9の楕円C、D、Eで示す部分をそれぞれ、第1トーションバー、第2トーションバー、第3トーションバーと表現する。また、計算に当たってはミラー部24のサイズを図9に示すように、縦4mm、横3mmとしている。なお、計算の比較として、図10に示す特許文献4の構成の場合についても説明する。図10の楕円F、G、Hで示す部分をそれぞれ、第1トーションバー、第2トーションバー、第3トーションバーと表現する。図10におけるミラー部24のサイズは図9の場合と同様である。
The
まず、本実施形態の駆動ミラー22に関する計算について説明する。本実施形態の駆動ミラー22の構成では、共振周波数fnはミラーの慣性モーメントJと、第1トーションバーのねじり剛性と、第2トーションバーの曲げ剛性を加算したばね剛性kから計算される。以下に関係式を示す。
First, the calculation regarding the
ここでknは振動係数、k3はねじり係数、L1、t1、d1、Gはそれぞれ第1トーションバーの長さ、厚み、幅、横弾性係数、L2、t2、d2、Eはそれぞれ第2トーションバーの長さ、厚み、幅、縦弾性係数、M、a、bはそれぞれミラーの重量、縦の長さ、横の長さを表す。なお、ここでトーションバーの長さとは、図9を紙面方向に見た場合の、トーションバーの長手方向の長さであり、幅は短いほうの長さである。また、トーションバーの厚みとは、トーションバーの紙面方向の長さである。 Here, kn is a vibration coefficient, k 3 is a torsion coefficient, L 1 , t 1 , d 1 , and G are the length, thickness, width, lateral elastic modulus, L 2 , t 2 , d 2 , E represents the length, thickness, width, and longitudinal elastic modulus of the second torsion bar, and M, a, and b represent the weight, vertical length, and horizontal length of the mirror, respectively. Here, the length of the torsion bar is the length in the longitudinal direction of the torsion bar when FIG. 9 is viewed in the direction of the paper, and the width is the shorter length. The thickness of the torsion bar is the length of the torsion bar in the paper surface direction.
次に、ミラー部24を所定の角度傾けるのに、第2トーションバーに加えるのに必要な力Fと第2トーションバーの変位量ΔL(図11参照)の計算式、及び第2トーションバー上に配置される圧電膜28の発生力FAと変位量ΔLAの計算式を示す。なお、ここでは計算を容易化するために、図11に示すように圧電膜28が梁25方向に発生する力は、圧電膜28が配置される全域で第2トーションバーに等分布の荷重が負荷されると仮定し、また、共振を利用することにより10倍の変位量と発生力が得られると仮定している。なお、圧電膜28の駆動でミラー部24を所定の角度傾けることができる必要があるために、F<FA、ΔL<ΔLAを満足する必要がある。
Next, a calculation formula for the force F required to apply to the second torsion bar and the displacement amount ΔL (see FIG. 11) of the second torsion bar to tilt the
ここで、θはミラー部24の回転角度、Iは第2トーションバーの断面2次モーメント、La、ta、da、d31、S11E、Vはそれぞれ圧電膜28の長さ、厚み、幅、圧電歪定数、圧電膜28に印加する電圧を表わす。なお、圧電膜28の長さとは図9の上下方向の長さであり、幅とは左右方向の長さである。
Here, θ is the rotation angle of the
ミラー部24を所定の角度傾けた場合に発生する最大負荷部分は第1トーションバーのねじれ部分(図9の円Iで示す部分。)である。この部分にかかる最大ねじり応力(せん断応力)τmaxは以下の式で計算される。
The maximum load portion generated when the
ここで、k1はねじり係数を表わす。数1から数8の各式に 例えば、図12に示す入力値を代入して計算すると、共振周波数fnは68.3kHz、ミラー部24を例えば12.5°傾けるのに必要な変位量ΔLは10.7μm、必要な力Fは28.9mNと計算される。また、圧電膜28が発生させる変位量ΔLAは2.63mm、発生力FAは43.3mNとなり、F<FA、ΔL<ΔLAを満足する。
Here, k 1 represents a torsion coefficient. For example, when the calculation is performed by substituting the input values shown in FIG. 12 into the
更に、第1トーションバーに負荷される最大ねじり応力τmaxは371MPaとなる。この点、トーションバーの素材であるシリコンの破壊強度は約2GPaであるので耐久性も十分であると言える。以上の計算結果から、本実施形態の駆動ミラー22は、走査速度、ミラー走査角度について高水準の要求を満たすことができ、且つ耐久性も兼ね備えた、優れた構成の駆動ミラーであると言える。
Further, the maximum torsional stress τmax loaded on the first torsion bar is 371 MPa. In this respect, since the fracture strength of silicon, which is a material of the torsion bar, is about 2 GPa, it can be said that the durability is sufficient. From the above calculation results, it can be said that the
次に、特許文献4の構成について比較のために図10を用いながら説明する。まず、特許文献4の構成の駆動ミラーの動作について簡単に説明する。この構成では、ミラー部24の左右に存在するトーションバーの曲げ変形をねじれ変形に変換する方式でミラー部24を振動させている。片側のトーションバーにのみ注目して説明すると、一対の第1トーションバーの片面(図10では紙面手前側)それぞれには圧電膜28が積層されており、各圧電膜28に電圧を印加すると圧電膜28が伸縮し、第1トーションバーが曲げ変形される。そして、一対の第1トーションバーのそれぞれに配置される圧電膜28には、交互に伸び縮みするように各圧電膜28に印加する電圧が設定されているため、第2、第3トーションバーを介して第1トーションバーに繋がるミラー部24が振動する。
Next, the configuration of
このように構成される場合においても、共振周波数fnとミラー部24の慣性モーメントJはそれぞれ、数1と数3と同様である。ただし、ばね剛性kは第1トーションバーの曲げ剛性のみであるので、ばね剛性kは次式で表わされる。
Even in such a configuration, the resonance frequency fn and the moment of inertia J of the
その他については、本実施形態の場合と同様に求められる。なお、特許文献4の構成による場合、ミラー部24を所定角度傾けた場合に発生する最大負荷部分は第1トーションバーの図10の円Kで示した部分であり、ねじり応力と曲げ応力の合算値になる。この点、本実施形態の駆動ミラー22が、ねじれ応力(図10の円I部)と曲げ応力(図10の円J部)が別々に位置に働くのとは異なる。
About others, it calculates | requires similarly to the case of this embodiment. In the case of the configuration of
特許文献4の構成について計算した結果、本実施形態のようにミラー部24の走査速度、走査角度、耐久性を高い水準で満足する解は得られず、走査速度で10kHz程度までしか得られない結果となった。この両者の差は、以下の点に起因すると考えられる。
As a result of calculating the configuration of
本実施形態の駆動ミラー22は、ミラー部24の走査速度に関係するばね剛性が、第1トーションバーのねじり剛性と、第2トーションバーの曲げ剛性を加算する形で得られる。一方、特許文献4に示される構成の場合、ばね剛性は第1トーションバーの曲げ剛性のみで得られる。このため、本実施形態の駆動ミラー22は、特許文献4の場合と異なり、トーションバーにかかる負荷を分散しながら走査速度を上げることが可能となる。従って、本実施形態の駆動ミラー22の方が特許文献4の駆動ミラーに比べて耐久性の面で有利である。
In the
また、本実施形態の駆動ミラー22は、圧電膜28が配置された第2トーションバーは、第1及び第3トーションバーを横から挟むような構成となっている。一方、特許文献4に示される構成では、圧電膜28を配置された第1トーションバーが、第2、第3トーションバーと同一平面上に配置されている。
In the
このため、特許文献4の場合は、ばねの剛性及び走査速度の両方を上げるために第1トーションバーの幅を増すと、第2トーションバーの長さを伸ばす必要が生じるために、第1トーションバーの変位量を大きくする必要が生じ、逆に第1トーションバーの負荷が増す。一方、本実施形態の駆動ミラー22の場合には、耐久性確保のために第1トーションバーの幅を増しても、ミラー部24を回転するために第2のトーションバーを変位する量は変わらず、耐久性の確保を図りながら走査速度を上げることが可能となる。従って、この点においても、本実施形態の駆動ミラー22の方が特許文献4の駆動ミラーに比べて耐久性の面で有利である。
For this reason, in the case of
以上、本実施形態の駆動ミラー22について説明したが、駆動ミラーの構成は本実施形態の構成に限る趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変形可能である。例えば、梁25の数は2本以上でも構わず、駆動腕29a、29b(図6参照)に配置される圧電膜28の位置も梁25がある側に設ける構成としても構わない。また、駆動腕29a、29bとミラー部24を必ずしも平行に設ける必要もないなく、例えば、図6(b)の図が時計回り方向に45°回転したような構成としても構わない。但し、この場合には駆動腕29a、29bの端部を固定する固定部が別途必要となる。
The
更に、駆動腕29a、29bの数も2本に限らず、1本でも3本以上でも構わないし、駆動腕29a、29bの構成も例えば、図13(a)〜(c)に示すような構成としても構わない。図13(a)は、駆動ミラー22の構成の変形例を示す概略図であり、図13(b)は図13(a)の断面AA'を図の左方向から見た図である。図13(c)は図13(a)の断面BB'を図の左方向から見た図である。
Further, the number of
図13に示す構成では、本実施形態の駆動ミラー22における駆動腕29aの場合と異なり、駆動腕29aの腕部27a、27bが梁25に対して線対称に設けられている。この点については駆動腕29bも同様である。そして、この構成においては、ミラー部24を回転する場合、本実施形態に示した駆動ミラー22の場合と異なり、腕部27a、27cと腕部27b、27dとで反対の極の電圧を印加する必要がある点で異なる。
In the configuration shown in FIG. 13, unlike the case of the
以上、光走査部9を構成する駆動ミラー22の構成の詳細について説明したので、次に光走査部9を構成する全体駆動装置23の構成の詳細について説明する。図14は全体駆動装置23の構成を示す概略正面図である。
The details of the configuration of the
全体駆動措置23は、駆動ミラー22全体を回転させるための回転軸31と、回転軸31の軸受け32と、回転軸31を回転させる回転駆動部33とで構成されている。そして、回転駆動部33は、ベース34と、第1の圧電素子35と、第2の圧電素子36と、第1の圧電素子35と第2の圧電素子36とを連結するチップ部37で構成される。
The
第1及び第2の圧電素子35、36はベース34に接着剤等により固定されている。そして、第1の圧電素子35と第2の圧電素子36は、ほぼ90°の角度を持って固定されている。第1及び第2の圧電素子34、35を連結するチップ部37の頂部は、回転軸31に押圧されるために剛体で構成されている。なお、本実施形態では第1の圧電素子35と第2の圧電素子36が90°の角度をもって固定されているが、これに限定される趣旨ではない。
The first and second
図示しない制御回路により、第1の圧電素子35と第2の圧電素子36には、例えば、図15に実線と点線で示すような90°の位相差を持った電圧がそれぞれ印加されるようになっている。このため、第1及び第2の圧電素子35、36は90°の位相差をもって伸縮振動を行い、これによりチップ部37が例えば、図16に示すようにP方向に楕円運動を行う。
A voltage having a phase difference of 90 ° as shown by a solid line and a dotted line in FIG. 15, for example, is applied to the first
本実施形態においては、チップ部37は、例えば図16において、楕円軌道中に示した矢印の部分を移動する時にのみ回転軸31に押圧されるように設定されている。このため、チップ部37が回転軸31に押圧されている時にのみ回転軸31は回転を行い、チップ部37が回転軸31から離れると回転はストップする。すなわち、回転軸31の駆動はステップ駆動するように設定されている。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態の全体駆動装置23においては、駆動部33を圧電素子により駆動する構成としているが、これに限定される趣旨ではない。例えば、圧電素子の代わりに磁歪素子やその他の電気・機械エネルギー変換素子を利用する構成としても構わない。また、回転軸31にギヤを設けて、回転軸31をステッピングモータで駆動する構成としても構わない。
In addition, in the
以上により、光走査部9を構成する駆動ミラー22と全体駆動装置23の構成について説明したので、光走査部9の光の走査方法について説明する。光走査部9による光の走査は光走査制御部14(図1参照)において制御される。そして、光走査制御部14は、光制御部2(図1参照)からの信号や後述するミラー位置検出手段13(図1参照)からの信号に基づいて、駆動ミラー22と全体駆動装置23の動作制御を行う。
The configuration of the
上述のように、本実施形態の画像表示装置1においては、光走査部9での光の走査は、表示部15(図1参照)に対して水平方向の光走査は駆動ミラー22を駆動させることによって、垂直方向の光走査は全体駆動装置23を駆動させることによって行われる。
As described above, in the
なお、本実施形態においては、垂直方向の解像度を増加するために、水平方向の光の走査速度Vxを垂直方向の光の走査速度Vyよりもかなり大きく設定している。そして、この速度の差は、Vx/Vy>500を満たすのが好ましく、更にはVx/Vy>1000を満たすのがより好ましい。これにより、VGAの画質(垂直方向の分解能480本)、更にはHDTVの画質(垂直方向の分解能1080本)を達成できる。 In the present embodiment, in order to increase the vertical resolution, the horizontal light scanning speed Vx is set to be considerably higher than the vertical light scanning speed Vy. The speed difference preferably satisfies Vx / Vy> 500, and more preferably satisfies Vx / Vy> 1000. Thereby, VGA image quality (vertical resolution of 480 lines) and HDTV image quality (vertical resolution of 1080 lines) can be achieved.
また、垂直方向の走査周波数は50Hzより大きく設定している。これにより表示部15の表示周期が短くなり、動画の動きを滑らかにすることができる。
The vertical scanning frequency is set to be higher than 50 Hz. Thereby, the display cycle of the
図17は、光走査部9によってスクリーン等の表示部15上を光が走査される様子を示した模式図である。本実施形態においては、表示部15の左上から光走査が行われるように設定されている。光走査のスタート位置(図の円Sで表示される部分)は表示部15の外側に配置されている。
FIG. 17 is a schematic diagram showing how light is scanned on the
光走査が始まると、駆動ミラー22によるミラー部24の振動により、まず図の右方向に向かって水平に光が走査される。そして、光が表示部15の外に出ると、全体駆動装置23が回転軸31(図5参照)をステップ駆動して光が図の下方向に走査される。この時、駆動ミラー22によるミラー部24の駆動は続いているために、ミラー部24は駆動ミラー22と全体駆動装置23の両方で駆動されることになり、例えば図に円Tで示すように弧を描くような形で光走査される。
When the optical scanning starts, the light is first scanned horizontally in the right direction in the figure by the vibration of the
なお、この際の全体駆動装置23による回転軸31の回転量の設定としては、回転軸31を1度回転するだけで垂直方向へ走査すべき所定の回転量を回転してしまうような設定ではなく、小刻みに何回か回転軸31を回転することにより所定の回転量に到達するような設定が好ましい。
Note that the setting of the rotation amount of the
すなわち、本実施形態の構成の全体駆動装置23の場合には、1回のチップ部37(図14参照)の楕円回転による回転軸31の回転量をA、垂直方向に画像を1画素移動するのに必要な回転軸31の回転量をBとした時に、B/A>3であることが好ましく、更にはB/A>10であることがより好ましい。このように構成することにより、1回のチップ部37の楕円回転による回転軸31の回転量に誤差が生じた場合にも、その誤差を補正するように全体駆動装置23の駆動を制御することで、所定の回転量(例えば画像1画素分)を回転する間に誤差を補正することが可能となる。
That is, in the case of the
全体駆動装置23により所定の回転量だけミラー部24が回転され、図の下方向に光が走査されると、今度は駆動ミラー22のみによって図の左方向に向かって水平に光が走査され、光が表示部15の外に出ると、先程と同様に全体駆動装置23が駆動して下方向にも光が走査される。以上が表示部15下方の所定の位置まで繰り返される。そして、所定の位置(図の円Uで示される部分)まで光走査されると、今度は全体駆動装置23はこれまでと反対方向に回転軸31(図5参照)を回転し、光を上方向に走査する。
When the
図18は、光走査部9により表示部15上を上から下まで走査された光が、下から上へ走査される際の光走査を説明するための説明図である。図の実線は、光走査部9により、光が上から下まで光走査される場合の光の走査位置(図17に同じ)を示しており、図の鎖線は、光が下から上まで光走査される場合の光の走査位置を示したものである。
FIG. 18 is an explanatory diagram for explaining optical scanning when light scanned from the top to the bottom on the
表示部15の下方の所定位置(図17の円Uで示される位置)まで光が走査されると、全体駆動装置23はこれまでと回転軸31を逆回転して、光が上から下方向に走査されていた時の回転量の半分だけ回転軸31を回転して光を上方にずらす。上方にずらされた光は、図の左方向に向かって水平に走査され、表示部15の外に出ると全体駆動装置23がステップ駆動して光を上方に走査する。この際、全体駆動装置23が回転軸31を回転する回転量は、光が上から下へ走査されていた時と同じ所定の回転量だけ回転することになる。この走査を繰り返すことにより、図18の点線位置上を光が走査され、表示部15の上方の所定位置まで光が走査される。
When the light is scanned to a predetermined position below the display unit 15 (a position indicated by a circle U in FIG. 17), the
なお、光走査部9による光の走査方法は以上の走査方法に限定される趣旨ではない。例えば、表示部15の上から下まで走査された後、同位置を通るように下から上へ走査する形式としても構わない。ただし、本実施形態のように、表示部15の上から下へ光を走査した後、下から上へと走査される光が、上から下へ走査した時の間を通るように光走査した方が、解像度の高い画像を得やすい。
The light scanning method by the light scanning unit 9 is not limited to the above scanning method. For example, the
また、本実施形態では、水平方向に走査する光が表示部15の外に出たときに全体駆動装置23をステップ駆動させる形式としているが、必ずしもこれに限定されない。すなわち、本実施形態の場合、駆動ミラー22によって走査される水平方向の全領域のうち、両端の一部を画像領域として使わない構成としているが、駆動ミラーによって走査される水平方向の全領域を画像として使用できるように、全体駆動装置23の駆動のタイミングを光が表示部15の端部に来た時とする構成等としても構わない。
In the present embodiment, the
更に、全体駆動装置23をステップ駆動でなく等速で駆動する構成しても構わない。ただし、この場合、駆動ミラー22による水平方向の光走査と同時に垂直方向にも光が走査されるために、表示部15の両端に画像不良が発生する可能性があるために、全体駆動装置23はステップ駆動で、水平方向の両端で駆動する構成が好ましい。
Further, the
以上光走査部9による光の走査方法について説明したが、表示部15に画像を形成するためには、光走査部9による光の走査位置と画像を形成するために光源4〜6からの出射されるレーザ光の強度が対応している必要がある。このため、駆動ミラー22のミラー部24(図6参照)の位置を把握できるように、光走査光学装置3内には、ミラー位置検知用光源12(図1参照)と、ミラー位置検出手段13(図1参照)とが設けられている。
Although the light scanning method by the light scanning unit 9 has been described above, in order to form an image on the
ミラー位置検出用光源12は、ミラー部24の光走査面の裏面側に光を照射するようになっており、ミラー位置検出手段13は、この反射光を受光するように構成されている。そして、反射光の受光位置に関する情報からミラー位置が検出できる。ミラー位置検出手段13で検出された受光位置に関する情報が信号として光制御部2に供給され、光制御部2はこの情報に基づいて光源4〜6の動作を制御している。また、ミラー位置検出手段13で検出された受光位置に関する情報は光走査制御部14(図1参照)にも供給されており、光走査制御部14はこれにより、駆動ミラー22と全体駆動装置23の駆動を制御している。
The mirror position
なお、ミラー部24の位置の検出手段は上述の構成に限定されるものでなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変形可能である。すなわち、例えば、図17の光走査開始位置(図の円Sの位置)に光を反射するようにミラー部24が位置しているか否かのみを把握できるように、検出手段を設ける構成等としても構わない。
The means for detecting the position of the
次に、投影光学系10(図1参照)について説明する。本実施形態の投影光学系10は、光走査部9で走査されたレーザ光を表示部15に結像する以外に、画像の歪みを解消する役割も担っている。本実施形態の画像表示装置においては、光走査部9の光の走査方式が、水平方向は駆動ミラー22による共振駆動方式、垂直方向は全体駆動装置23によるステップ駆動方式と、水平方向と垂直方向で異なっている。このため、光走査部9からのレーザ光を通常の軸対称レンズを用いて結像した場合には、例えば、図19に示すように、画像が非対称に歪む。なお、図19は、イメージ図であり必ずしも実際の歪みの様子を示している訳ではない。
Next, the projection optical system 10 (see FIG. 1) will be described. The projection
このことから、本実施形態の投影光学系10には、水平方向と垂直方向で曲率が異なる形状に作製されたアナモルフィック非球面レンズを使用し、画像の非対称歪みを解消している。このアナモルフィック非球面レンズを用いると、光走査部9のミラー部24で反射され、アナモルフィック非球面レンズに入射するレーザ光の水平方向と垂直方向の射影方式は異なったものとなる。なお、アナモルフィック非球面レンズは、ガラス製でも、プラスチック成型によって作製されたプラスチック製のものでも構わない。プラスチック成型したものの方が、特にコスト面で有利である。
For this reason, the projection
まず、水平方向の射影方式について図20を用いて説明する。なお、図20はミラー部24で反射された光が投影光学系10を経て表示部15に結像する様子を説明するための模式図で、表示部15を真上方向から見た図である。図の鎖線は表示部15の中心38の向かう光束の中心線である光軸39を示す。また、実線及び一点鎖線は、ミラー部24が図の反時計周りに回転した2つの状態について、それぞれミラー部24で反射されて、表示部15に導かれる光束の中心線を描いている。なお、投影光学系10は便宜上、簡易に描いている。
First, the horizontal projection method will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a schematic diagram for explaining how the light reflected by the
水平方向の光の走査方式は共振駆動であるために、水平方向に走査される光のうち表示部15の中央側(図では中心38側)で走査速度が最大となり、中央側から端部に向けて光の走査速度が遅くなる。このため、水平方向の中央側は幅が狭まり、端部側は幅が広がるように射影する方式とする必要がある。そこで、本実施形態のアナモルフィック非球面レンズの水平方向への射影方式は、次式で表わされる方式となっている。
Since the scanning method of the light in the horizontal direction is resonance driving, the scanning speed is maximum on the central side (the
yh=a・arcsin(k・θ/θmax)
ここで、θは、ミラー部24から反射されて投影光学系10に入射する入射光を、光軸39を含み表示部15の水平方向に平行な面(図では紙面が相当する)に投影した時に投影した光が光軸39となす角(単位はラジアン)である。また、θmaxは、θがとり得る値の最大値であり、ミラー部24が最大傾いた角度の2倍が相当する。yhは、水平方向の画像の高さを表わし、表示部15の中心38を通る垂直方向(図では紙面方向)の線とある角度で投影光学系10に入射する入射光が表示部15に投影された時に形成する像との距離(単位はmm)が相当する。aとkは所定の係数である。なお、係数kは、駆動ミラー22によって走査される水平方向の全領域のうち、画像を表示しない割合によって決められる係数である。
yh = a · arcsin (k · θ / θmax)
Here, θ is a projection of incident light reflected from the
次に、垂直方向の射影方式について図21を用いて説明する。なお、図21はミラー部24で反射された光が投影光学系10を経て表示部15に結像する様子を説明するための模式図で、表示部15を真横から見た図である。図の鎖線は表示部15の中心38の向かう光束の中心線である光軸39を示す。実線及び一点鎖線は、ミラー部24が図の反時計周りに回転した2つの状態について、ミラー部24で反射されて、表示部15に導かれる光束の中心線を描いている。なお、投影光学系10は便宜上、簡易に描いている。
Next, a vertical projection method will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a schematic diagram for explaining a state in which the light reflected by the
垂直方向の光の走査方式はステップ駆動であるために、垂直方向の画像は、水平方向の場合のように、光の走査速度の差に起因する歪みは生じないために、投影光学系10への入射角に応じて像の高さが決定される方式で射影すれば良い。このため、本実施形態のアナモルフィック非球面レンズの水平方向への射影方式は、次式で表わされる方式となっている。 Since the light scanning method in the vertical direction is step driving, the image in the vertical direction is not distorted due to the difference in light scanning speed as in the horizontal direction. Projection may be performed by a method in which the height of the image is determined according to the incident angle. For this reason, the projection method in the horizontal direction of the anamorphic aspheric lens of the present embodiment is a method represented by the following equation.
yv=f・φ
ここで、fは、投影光学系10の焦点距離(単位はmm)である。φは、ミラー部24から反射されて投影光学系10に入射する入射光を、光軸39を含み表示部15の垂直方向に平行な面(図では紙面が相当する)に投影した時に投影した光が光軸となす角(単位はラジアン)である。yhは、垂直方向の画像の高さを表わし、表示部15の中心38を通る水平方向(図では紙面方向)の線とある角度で投影光学系10に入射する入射光が表示部15に投影された時に形成する像との距離(単位はmm)が相当する。
yv = f · φ
Here, f is the focal length (unit: mm) of the projection
以上のように投影光学系10にアナモルフィック非球面レンズを用いれば、画像の非対称歪みが解消できるが、非対称歪みを解消するレンズはアナモルフィック非球面レンズに限定される趣旨ではない。例えば、2枚の直交配置されるシリンダレンズを組み合わせて、アナモルフィック非球面レンズと同じ働きをさせるようにしても構わない。
As described above, if an anamorphic aspheric lens is used in the projection
なお、本実施形態の投影光学系10ではレンズを2枚配置する構成としているがこれに限る趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変更可能である。また、本実施形態の投影光学系10に用いるアナモルフィック非球面レンズは、水平方向の走査方式が振動による駆動で、垂直方向の走査方式がステップ駆動となる2次元光走査装置を含む光学系であれば適用可能であり、例えば画像表示装置1において、駆動ミラー22が電磁駆動、或いは静電駆動タイプのものにも適用可能である。
In the projection
上述のように、本実施形態の画像表示装置1では、水平方向の光の走査方式が共振駆動であることに起因する画像の歪みが発生するため、投影光学系10にアナモルフィック非球面レンズを用いる構成としたが、必ずしもこのような構成としなくても、画像の非対称歪みの解消を図ることが可能である。
As described above, in the
すなわち、共振駆動方式の場合、表示部15の水平方向の走査速度が、中央側で速く、端部側で遅くなるため、光源4〜6から出射されるレーザ光のオンオフの切り替え速度を表示部15の水平方向中央側で速くし、端部側程遅くなるように光制御部2(図1参照)で制御する構成とすることで、歪みの解消を図ることも可能である。なお。光源4〜6からのレーザ光のオンオフの切り替え速度は、光源周波数変調部19(図3参照)における光源4〜6の周波数の変調を制御することで可能となり、周波数を高く変調すれば、レーザ光のオンオフの切り替えは速くなり、周波数を低くすればその逆となる。また、このような構成と投影光学系にアナモルフィック非球面レンズを用いた構成とを組み合わせる構成等とすることも可能である。
That is, in the case of the resonance driving method, the horizontal scanning speed of the
なお、以上においては、水平方向と垂直方向とで、光走査の駆動方式が異なることに起因する画像の歪みの解消について述べたが、本実施形態のように、光走査を行うミラー部24に入射する光が、ゼロでない有限角度をもっている場合には、表示部15上に表示される表示画像(格子)は、例えば、画像の枠を構成する4本線のうち、水平方向の線の中央部が下側に湾曲する台形歪みを発生することがある。
In the above description, elimination of image distortion caused by different optical scanning driving methods in the horizontal direction and the vertical direction has been described. However, as in the present embodiment, the
このため、付加的に投影光学系10を平行偏心及び/又は傾き偏心させて歪みを補正するようにしても構わない。また、本実施形態では、投影光学系10にアナモルフィック非球面レンズを用いているが、これに代えて自由曲面を用いたレンズ(光学系)を利用するようにしても構わない。このようにすれば、光走査の駆動方式が異なることに起因する画像の歪みと、上述の台形歪みの解消が可能となる。
For this reason, the projection
また、投影光学系10だけでは、表示部15に表示される画像の歪み(ここでは、上述の2つの歪みを含む、光走査光学装置3に装置構成に由来する全ての歪みを指す。)を十分に解消できない場合に、例えば、光制御部2で光源4〜6のオンオフのタイミングを本来のタイミングとは異なるように制御することで歪みを補正するようにしても構わない。このことについて図22を用いて説明する。なお、図22は光制御部2による画像の歪みの補正方法を説明するための模式図である。
Further, with the projection
本来、光制御部2は水平方向のドット(例えば図の41a〜41d)に順次像が描かれるように光源4〜6からのレーザ光の出射を制御する。しかし、図22に示すように画像の水平方向のラインが歪んでいる場合には、ドット41aから41dへと順次像を描くように光源4〜6かのレーザ光の出射するのではなく、本来41b、41cに描くべき像を40a、40bのところで描くように光制御部2が、光源4〜6から出射されるレーザ光のオンオフのタイミングを制御すれば、表示部15に表示される画像は見かけ上歪まない。従って、このよう制御を適宜行えるように光制御部2を構成しておけば、画像の歪みが極めて少ない映像を得ることが可能となる。
Originally, the
また、画像表示装置1により投影される画像は、画像表示装置1本体の構成に由来する歪み以外に、例えば、スクリーン等の表示部15が傾いている場合等に発生する台形歪みも存在する。このため、光制御部2によってこの台形歪みが補正できるように光制御部2を構成しておいても構わない。
Further, the image projected by the
以上、本発明の駆動ミラーと光走査光学装置を備える画像表示装置について説明したが、本発明の駆動ミラーと光走査光学装置は画像表示装置以外にも適用可能である。例えば、図23に示すようにレーザビームプリンタ(LBP)等にも搭載することも可能である。 The image display device including the drive mirror and the optical scanning optical device according to the present invention has been described above. However, the drive mirror and the optical scanning optical device according to the present invention can be applied to devices other than the image display device. For example, as shown in FIG. 23, it can also be mounted on a laser beam printer (LBP) or the like.
図23はLBPに搭載される本発明の駆動ミラーを備える光走査光学装置と感光体ドラムの関係を示したものである。図において、100は本発明の光走査光学装置、101はレーザ光源、102はシリンドリカルレンズ、103は本発明の駆動ミラー、104はfθレンズ、105は感光体ドラムである。 FIG. 23 shows the relationship between an optical scanning optical device having a drive mirror of the present invention mounted on an LBP and a photosensitive drum. In the figure, 100 is an optical scanning optical device of the present invention, 101 is a laser light source, 102 is a cylindrical lens, 103 is a driving mirror of the present invention, 104 is an fθ lens, and 105 is a photosensitive drum.
レーザ光源101から出射されたレーザ光はシリンドリカルレンズ102を透過後、駆動ミラー103により反射され、fθレンズ104を透過して感光体ドラム105に結像する。そして、駆動ミラー103は、例えば、図6に示されるような構成をしており、ミラー部24を回転させることで、感光体ドラム105の長手方向(図の感光体ドラム105上に描かれた矢印方向)にレーザ光を走査できるように設定されている。
The laser light emitted from the
このような装置において、従来は、高速化に対応したLBPを作製するにあたって、光走査を行うためのポリゴンミラーを複数配置する必要があったため装置が大型化した。しかし、本発明の駆動ミラー103では高速にミラー部24を回転し、光走査を高速に行えるため、駆動ミラー103を1個配置すれば高速化対応のLBPを作製できる。このため、装置全体が大型化せず、消費電力の低減も可能となる。
In such an apparatus, conventionally, when producing an LBP corresponding to high speed, it is necessary to arrange a plurality of polygon mirrors for performing optical scanning, so that the apparatus is enlarged. However, since the driving
以下に、本発明の画像表示装置であるプロジェクタの実施例を示す。 Examples of projectors that are image display apparatuses according to the present invention will be described below.
画面サイズは20インチとし、投影距離は300mmとした。光学系の投影角度は、水平方向が±37度、垂直方向が±22度とした。画面の解像度は、ハイビジョンテレビと同等の1920×1080サイズの表示解像度とした。プロジェクタの光学系は、図1に示す構成とし、投影光学系には本実施形態に示した水平方向と垂直方向の投影方式が異なるアナモルフィック非球面レンズを用いた。 The screen size was 20 inches and the projection distance was 300 mm. The projection angle of the optical system was ± 37 degrees in the horizontal direction and ± 22 degrees in the vertical direction. The screen resolution was a display resolution of 1920 × 1080 size, which is equivalent to that of a high-definition television. The projector optical system has the configuration shown in FIG. 1, and the projection optical system uses an anamorphic aspherical lens having different projection methods in the horizontal and vertical directions shown in the present embodiment.
光源には赤色、緑色、青色のレーザダイオードを用い、赤色の波長は660nm、緑色の波長は532nm、青色の波長は450nmとした。レーザダイオードの変調周波数は125MHzとした。 Red, green, and blue laser diodes were used as light sources, the red wavelength was 660 nm, the green wavelength was 532 nm, and the blue wavelength was 450 nm. The modulation frequency of the laser diode was 125 MHz.
駆動ミラーは、図6に構成される駆動ミラーを用い、図6(a)において、駆動ミラー全体の大きさは左右方向が17.4mm、上下方向が5mmとし、駆動ミラーの各パーツのサイズは図12に示すサイズのものとした。また、全体駆動装置には図14に示す構成のものを用い、回転軸の直径はφ10mmとした。また、駆動ミラーによる水平方向の光の走査周波数は65000Hz、全体駆動装置による垂直方向の光の走査周波数は60Hzとした。 The driving mirror shown in FIG. 6 is used as the driving mirror. In FIG. 6A, the entire size of the driving mirror is 17.4 mm in the horizontal direction and 5 mm in the vertical direction. The size of each part of the driving mirror is as follows. The size shown in FIG. Further, the whole drive device having the structure shown in FIG. 14 was used, and the diameter of the rotating shaft was set to φ10 mm. The scanning frequency of light in the horizontal direction by the driving mirror was 65000 Hz, and the scanning frequency of light in the vertical direction by the whole driving device was 60 Hz.
このプロジェクタにおいて、光源にレーザダイオードの消費電力は、赤色、緑色、青色の3つを合わせて、2.5W程度であった。駆動ミラー及び全体駆動装置の消費電力はいずれも0.5W程度であった。制御系の消費電力は1.5W程度であった。従って、プロジェクタ全体では、およそ5Wとなった。 In this projector, the power consumption of the laser diode as the light source is about 2.5 W, including the three colors of red, green, and blue. The power consumption of the drive mirror and the entire drive device were both about 0.5 W. The power consumption of the control system was about 1.5W. Therefore, the overall projector was 5 W.
ただし、制御系については、安全性対策部品等を設けていないので、それらを設けるとさらに大きな値となる。この場合でも、プロジェクタ全体の消費電力は10Wを超えないので、バッテリー駆動できるという結果となった。 However, since no safety countermeasure parts or the like are provided for the control system, a larger value will be obtained if these are provided. Even in this case, since the power consumption of the entire projector does not exceed 10 W, the result is that the battery can be driven.
本発明の駆動ミラーによれば、ミラーを有する梁を圧電方式で駆動し、梁を横から錐を回転させるようなスタイルで回転させる構成となっている。このため、ミラーを高速且つ広角度に回転でき、更にそのような条件で使用しても十分高耐久性を有する。このため、高速に光走査を行う必要があるプロジェクタ等の画像表示装置や高速LBPへの適用が可能となる。 According to the drive mirror of the present invention, the beam having the mirror is driven in a piezoelectric manner, and the beam is rotated in a style that rotates the cone from the side. For this reason, the mirror can be rotated at a high speed and a wide angle, and it has sufficiently high durability even when used under such conditions. Therefore, it can be applied to an image display device such as a projector or a high-speed LBP that needs to perform optical scanning at high speed.
本発明の光走査光学装置は、ミラーを高速に回転できる駆動ミラーとステップ駆動で駆動ミラー全体を回転する全体駆動装置を備える構成のために、2方向の光走査の走査速度に大きな差を設けることができる。このため、高解像度のプロジェクタ等の提供が可能となる。また、駆動ミラーのミラーの回転軸と全体駆動装置のミラーの回転軸がミラーの反射面の中心を通るように直交しているので、反射面付近に瞳を配することができ、本発明の光走査光学装置を備える画像表示装置を小型にできる。 The optical scanning optical device of the present invention has a configuration including a driving mirror that can rotate the mirror at high speed and an entire driving device that rotates the entire driving mirror by step driving, so that there is a large difference in the scanning speed of light scanning in two directions. be able to. For this reason, it becomes possible to provide a high-resolution projector or the like. Further, since the rotation axis of the mirror of the drive mirror and the rotation axis of the mirror of the entire drive device are orthogonal to each other so as to pass through the center of the reflection surface of the mirror, a pupil can be arranged near the reflection surface. The image display device including the optical scanning optical device can be reduced in size.
また、本発明の光走査光学装置は、異なる駆動方式を用いて2方向に光を走査する方式となっているが、特殊な投影光学系で、駆動方式の違いに合わせて、2方向の射影方式を異なるように設定しているために、画像表示装置に適用したときに複雑な電気制御をすることなく解像度の高い画像の提供が可能となる。 In addition, the optical scanning optical device of the present invention is a method of scanning light in two directions using different driving methods. However, it is a special projection optical system, and projection in two directions according to the difference in driving methods. Since the methods are set differently, it is possible to provide an image with high resolution without performing complicated electrical control when applied to an image display device.
本発明の画像表示装置は、上記の駆動ミラーと光走査光学装置を備えるために、高解像度であり、装置全体が小型で、更に低消費電力である。このため、携帯性を有する画像表示装置の提供が可能となる。 Since the image display device of the present invention includes the drive mirror and the optical scanning optical device, the image display device has high resolution, the entire device is small, and further has low power consumption. Therefore, it is possible to provide a portable image display device.
1 画像表示装置
2 光制御部
3 光走査光学装置
4〜6 光源
7 色合成プリズム
8 コリメータレンズ
9 光走査部
10 投影光学系
15 表示部
16 画像信号入力部
17 輝度信号変換部
18 光源輝度制御部
19 光源周波数変換部
22 駆動ミラー
23 全体駆動装置
24 ミラー部
24a 反射層
25 梁
26 固定枠(固定部)
27a〜27d 腕部
28 圧電膜
29a、29b 駆動腕
31 回転軸
32 軸受け
33 回転駆動部
34 ベース
35 第1の圧電素子(第1の変位部)
36 第2の圧電素子(第2の変位部)
37 チップ部
38 表示部の中心
39 光軸
DESCRIPTION OF
27a to
36 2nd piezoelectric element (2nd displacement part)
37
Claims (22)
前記駆動部は、前記梁を挟むように前記梁に連結される2本の腕部から成る駆動腕を少なくとも1本有し、前記腕部は前記梁と略垂直に配置され、前記腕部それぞれには前記圧電素子が設けられることを特徴とする駆動ミラー。 In a drive mirror comprising: a mirror portion provided with a reflecting surface for reflecting light; a beam that holds the mirror portion; a fixing portion that fixes the beam; and a drive portion that rotates the beam by expansion and contraction of a piezoelectric element. ,
The drive unit has at least one drive arm composed of two arms connected to the beam so as to sandwich the beam, and the arm is disposed substantially perpendicular to the beam, The drive mirror is provided with the piezoelectric element.
前記光走査部の2次元的な光走査は、前記ミラー部を、前記反射面の略中心を通り前記反射面に平行で互いに直交する2つの回転軸を中心に回転することによって行われ、前記回転軸による回転駆動のうち一方は、前記ミラー部を有し、1次元に光走査可能な駆動ミラーで行い、他方は前記駆動ミラー全体を一体で回転する全体駆動装置を用いて行われることを特徴とする光走査光学装置。 The light is two-dimensionally driven by driving a light source, a collimating optical system that converts the light emitted from the light source into parallel light, and a mirror unit provided with a reflecting surface that reflects the light that has passed through the collimating optical system. In an optical scanning optical apparatus comprising: an optical scanning unit that scans; and a projection optical system that guides light scanned by the optical scanning unit to a display unit.
The two-dimensional optical scanning of the optical scanning unit is performed by rotating the mirror unit around two rotation axes that pass through the approximate center of the reflective surface and are parallel to the reflective surface and orthogonal to each other. One of the rotational driving by the rotation shaft is performed by a driving mirror having the mirror portion and capable of optical scanning in one dimension, and the other is performed by using an entire driving device that integrally rotates the entire driving mirror. An optical scanning optical device.
B/A>3 ・・・(A) When the chip unit makes one oval rotation, the rotation amount of the rotation shaft is A, the light is scanned by driving the whole driving device, and the image on the display unit is scanned by one pixel in the light scanning direction. The optical scanning optical apparatus according to claim 12, wherein the following expression (A) is satisfied, where B is an amount of rotation of the rotating shaft necessary for movement.
B / A> 3 (A)
y1=a・arcsin(k・θ/θmax) ・・・(B)
y2=f・φ ・・・(C) In the projection method, the focal length of the projection optical system is f (mm), the central ray of the light beam toward the center of the display unit is the optical axis, and the incident light reflected by the mirror unit and incident on the projection optical system is , When projected onto a plane parallel to a first direction in which optical scanning is performed by the drive mirror among the two directions including the optical axis, an angle formed by the projected light and the optical axis is θ (rad), θmax is the maximum value that can be taken by θ, and the incident light is projected when projected onto a plane that includes the optical axis and is parallel to a second direction that is different from the first direction and includes the two directions. Is an angle formed by the optical axis φ (rad), a straight line passing through the center of the display unit and orthogonal to the first direction on the display unit, and an image formed by projecting the incident light onto the display unit And the second direction passing through the center of the display unit, and y1 (mm) When the distance between the intersecting straight line and the image formed by projecting the incident light onto the display unit is y2 (mm) and a and k are predetermined coefficients, the first direction and the second direction The optical scanning optical apparatus according to claim 14, wherein the projection methods are expressed by the following expressions (B) and (C), respectively.
y1 = a · arcsin (k · θ / θmax) (B)
y2 = f · φ (C)
Vx/Vy>500 ・・・(D) 20. The image display device according to claim 19, wherein Vx and Vy satisfy the following expression (D), where Vx is the horizontal scanning speed and Vy is the vertical scanning speed.
Vx / Vy> 500 (D)
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