CN101896851B - 扫描型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的扫描型图像显示装置包括：射出激光束的光源部；在第1方向及与所述第1方向交叉的第2方向上二维扫描所述激光束的扫描镜；以及控制所述扫描镜的驱动的控制部，其中，所述控制部驱动所述扫描镜以使所述第1方向的扫描频率达到比所述第2方向的扫描频率高，并通过改变所述第1方向的扫描频率使其与所述第2方向的扫描频率的周期同步，来改变所述第1方向的扫描振幅。

Description

扫描型图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种利用扫描镜扫描激光束的HMD(Head Mounted Display，头戴式显示器)等扫描型图像显示装置。

背景技术

以往，关于佩戴在使用者的头部进行图像显示的HMD(头戴式显示器)等图像显示装置，提出了各种方式，例如使用液晶元件或有机EL等像素型显示器件作为图像显示部的方式、二维扫描激光束而在眼睛的视网膜上直接显像的方式等。

在此种图像显示装置中，为了减轻使用者的佩戴负担能够长时间使用，要求显示装置整体小型且轻量。进而，如果以与一般所用的眼镜同等的设计构成图像显示装置，则能够像通常的眼镜那样始终佩戴着进行活动。

但是，要使画质越高、视角越广，则对于使用像素型显示器件的方式而言，使用显示部、将该显示部发出的光引导至眼镜的棱镜(prism)以及半透镜(half mirror)等接近眼睛的光学系统(eyepiece optical system)会大型化，因此难以实现小型轻量化。

而且，如上所述的大型接目镜光学系统在结构上是覆盖眼前，与眼镜相比，形状更接近护目镜或头盔，难以期望自然的佩戴感，因而难以实现普通的眼镜型图像显示装置。

另一方面，激光扫描方式的视网膜扫描型图像显示装置有如下优点，即：通过使用小型的MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)镜器件，能够使图像显示装置极为小型。

进而，关于激光扫描方式的视网膜扫描型图像显示装置，还提出了通过使用全息镜(hologram mirror)来代替棱镜或半透镜，使接目镜光学系统薄型化，从而使装置整体构成为眼镜型(例如，参照日本专利公开公报特开平10-301055号)。

图8(A)至图8(C)表示此种激光扫描方式的图像显示装置的一个结构例。图8(A)是上述激光扫描方式的图像显示装置的俯视图，图8(B)是激光扫描方式的图像显示装置的侧视图，图8(C)是从眼睛一侧看到的激光扫描方式的图像显示装置的说明图。

图8(A)至图8(C)仅示出了使用者的头部以及扫描型图像显示装置的右半部，而在用双目观看时，呈左右对称的结构。

图8(A)至图8(C)所示的扫描型图像显示装置在镜腿11上搭载有射出激光束2的光源部1、二维扫描激光束2的扫描镜3以及控制这些部件的控制部14。

扫描型图像显示装置还具备眼镜镜片12以及形成在该眼镜镜片12的表面上的全息镜13。由扫描镜3投射至眼镜镜片12的激光束2被全息镜13反射而射入使用者的眼睛17，在视网膜上形成图像。全息镜13具有例如形成有李普曼体积型全息图(Lippmann volumehologram)的光聚合物层(photopolymer layer)。全息镜13具备仅反射激光束的波长的波长选择性，使用者能够同时看到外面的景色和由激光束描绘的图像这两者。

在上述的以往结构中，来自扫描镜3的激光束2不被使用者的脸部遮挡地照射全息镜13。因此，存在如下课题：激光束2以入射角α倾斜投射至眼镜镜片12，从而如图8(C)的倾斜投射区域8所示，投影在全息镜13上的图像会变形成梯形形状。

一般而言，当从相对于投射面倾斜的位置投影矩形影像时，由于在距离扫描中心较远的一侧，扫描光束会更扩大地投射，因此会成为近侧窄远侧宽的梯形状的投射区域。因而，当由全息镜13反射的光射入使用者的眼睛17而到达视网膜时，使用者所辨识出的图像也会变形为梯形。

通常，在正投影仪(front projector)等中，为了应对梯形失真而进行基于图像处理的修正。该修正是通过按照梯形的上底或下底中较短的一边的长度决定矩形的显示区域，在超出矩形区域的部分(以下称作无效扫描区域)不进行图像显示，由此能够对使用者显示如显示区域9(图8(C))那样的矩形的图像。

然而，该方法中，在投射区域扩展的一侧将图像缩小进行显示，因而可显示的分辨率降低。而且，无效区域越大，1帧时间内显示图像的时间就越短，图像越暗。为了保证辉度，必须提高光源的光输出，因而功耗将增大。

针对此类课题，提出了一种控制扫描镜的驱动振幅或驱动速度，以修正扫描区域的形状及扫描线间隔的方案(例如，参照日本专利公开公报特开2007-199251号)。

在此例中，利用MEMS镜扫描较为高速的第1方向(快速扫描)一侧，利用可实现自由波形驱动的垂直偏向器(所谓的检流镜(galvanometer mirror))扫描较为低速的第2方向(慢速扫描)一侧。并且，通过使MEMS镜的偏向振幅变化，来抵消因倾斜投射造成扫描幅度扩展，并且通过控制检流镜的偏向速度，扫描线的间隔的扩展也得到修正。

然而，上述的以往结构进一步存在以下的课题。

即，为了使MEMS镜的偏向振幅配合慢速扫描方向的扫描而变化，要降低抑制振幅的一侧的驱动电压，或者增大MEMS镜驱动部的线圈与永磁体之间的距离。这些方法都是用来减弱MEMS镜的驱动力以减小偏向振幅，尤其在共振振动的MEMS镜中，为了要在惯性运动下保证固定的振动，振幅的变化并不一定追随驱动信号的变化。

而且，慢速扫描为单向扫描，MEMS镜的振幅变化更加难以追随高速的垂直反馈。

而且，为了修正扫描线的间隔，在慢速扫描一侧使用了能够实现自由波形驱动的检流镜，但在该检流镜的驱动中，需要能够针对整体角度位移产生足够的驱动力的致动器，因此难以小型化。

与此相对，在使用共振镜的情况下，由于无法以较小的驱动力获得较大的位移，因此虽然适合于小型化，但振动波形为正弦波状，无法以自由波形驱动。

在如前述的眼镜型HMD那样要求结构非常小型的图像显示装置中，能够利用1个芯片进行双轴扫描的双轴共振型MEMS镜较为适合。但是，基于如上所述的理由，为修正扫描区域的形状或扫描线的间隔而进行驱动较为困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描型图像显示装置，即使在倾斜投射时也能够实现显示良好的图像。

为了达成上述的目的，本发明所提供的扫描型图像显示装置包括：射出激光束的光源部；在第1方向及与所述第1方向交叉的第2方向二维扫描所述激光束的扫描镜；以及控制所述扫描镜的驱动的控制部，其中，所述控制部驱动所述扫描镜，以使所述第1方向的扫描频率达到比所述第2方向的扫描频率高，并通过改变所述第1方向的扫描频率使其与所述第2方向的扫描频率的周期同步来改变所述第1方向的扫描振幅。

根据上述的结构，控制扫描镜的驱动的控制部，通过改变第1方向的扫描频率使其与第2方向的扫描频率的周期同步来改变第1方向的扫描振幅。通过这样改变扫描频率来进行扫描振幅的调整，扫描振幅的调整变得容易，从而能够将扫描区域调整为所希望的形状。由此，即使在倾斜投射时也能够显示高画质的图像。

通过以下的记载，本发明的进一步的目的、特征及优点更加明确。而且，本发明的优点还可通过参照附图的下面的说明而明确。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的扫描型图像显示装置的概略结构的说明图。

图2是表示本发明的一实施方式所涉及的扫描型图像显示装置的概略结构的说明图。

图3是表示扫描镜与投射面的配置的说明图。

图4是表示扫描镜的概略结构的俯视图。

图5是表示扫描镜的扫描振幅-扫描频率特性的图。

图6(A)是表示扫描镜的共振频率向高频率一侧变化时的扫描振幅-扫描频率特性的图。图6(B)是表示扫描镜的共振频率向低频率一侧变化时的扫描振幅-扫描频率特性的图。

图7是表示本发明的一实施方式所涉及的车载用扫描型图像显示装置的概略配置的说明图。

图8(A)是表示扫描型图像显示装置的结构例的主要部分的俯视图。图8(B)是图8(A)的扫描型图像显示装置的主要部分的侧视图。图8(C)是从眼睛侧看到的图8(A)的扫描型图像显示装置的主要部分的主视图。

图9是表示低速扫描驱动波形与高速扫描驱动波形之间的关系的波形图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，以下的实施方式是将本发明具体化的一例，并不具有限定本发明的技术范围的性质。

(实施方式1)

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

首先，对本实施方式所涉及的扫描型图像显示装置的各结构部件的配置关系及扫描图形(scan pattern)的形状进行说明。

图1至图3表示本实施方式1所涉及的扫描型图像显示装置的概略结构。图1是表示基于本实施方式所涉及的驱动方法的扫描轨道的立体图。图2是表示在与图1同样结构的扫描型图像显示装置中应用以往的驱动方法时的扫描轨道的立体图。图3是表示图1所示的扫描型图像显示装置中的扫描镜与投射面的配置的俯视图。

本实施方式中的扫描型图像显示装置11如图1所示，包括光源部1、扫描镜3(扫描单元)、折回镜(folding mirror)7以及控制部(焦点控制部、强度控制部)14。

光源部1包括未图示的激光光源、准直透镜以及聚光透镜等。从光源部1照射的激光束2由折返镜7反射后射入扫描镜3。接着，激光束2被扫描镜3反射而偏向后投射至倾斜投射面5。例如，在图8(A)所示的眼镜型的扫描型图像显示装置的情况下，在眼镜镜片12的表面形成的全息镜13成为倾斜投射面5。而且，如下文所述，在将扫描型图像显示装置搭载于车中的情况下，倾斜投射面5有时也为车辆的前挡玻璃等。进而，如果扫描型图像显示装置为投影机，则任意的屏幕或壁面等有时也成为倾斜投射面5。

控制部14控制扫描镜3的驱动，并且控制从光源部1射出的激光束2的发光强度。控制部14可具备例如未图示的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、存储程序的ROM(Read Only Memory，只读存储器)、在执行各种处理时存储程序或数据的RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、输入输出接口以及连接这些构件的总线。

扫描镜3是在水平方向(第1方向，应为第2方向)及垂直方向(第2方向，应为第1方向)这两个方向受到共振驱动的双轴共振镜，具有使扫描光束描绘利萨如图形(Lissajous’spattern)的结构。控制部14根据由扫描镜3的驱动信号引导的光束的偏向方向计算应显示的图像的像素的地址，并基于该像素数据来调制光源部1的激光束2的发光强度。通过该控制部14对发光强度的调制，能够显示所希望的图像。

扫描镜3典型的是如图4所示结构的MEMS器件。镜部41由支撑部42支撑，并相对于中间框架43可转动地被保持在该支撑部42上。中间框架43相对于固定框架45可转动地被保持在支撑部44上。作为扫描镜3的驱动方式，有利用压电方式、静电方式、电磁方式等的器件的驱动方式，支撑部的结构也根据驱动方式的不同而开发出各种结构。作为本实施方式的扫描镜，并不限定于特定的结构或驱动方式的扫描镜，可适用各种结构及驱动方式的扫描镜。

而且，扫描镜3可利用共振驱动实现小型的器件。例如，对于在镜部41与中间框架43之间以及中间框架43与固定框架45之间设有梳齿电极的静电驱动方式的MEMS器件，开发出尺寸为10mm×10mm且共振频率为10kHz至20kHz和200Hz至2kHz左右的器件。而且，对于在支撑部上形成压电膜使可动部共振的压电方式的器件，也开发出同样尺寸和共振频率的器件。这样，较为理想的是扫描镜3被共振驱动。另外，在本实施方式中，未必需要在共振条件下驱动扫描镜3，也可以进行偏离共振条件的驱动。

在图1至图3中，作为坐标系，将扫描镜3的旋转中心作为原点，在水平方向上取X轴，在垂直上方取Y轴，在法线方向取Z轴(在配置关系上，扫描镜3是从背面看到的图)。

垂直投射面4是与扫描镜3处于中立位置时的反射光轴即扫描中心轴6垂直的面(图中以虚线表示)，倾斜投射面5是使垂直投射面4绕通过扫描中心轴6的铅垂线旋转角度α后的面。即，是将激光束2射向倾斜投射面5的入射角设为α的状态。

扫描镜3受到驱动绕X轴转动±θx、绕Y轴转动±θy。通过扫描镜3二维扫描的激光束2在倾斜投射面5上描绘倾斜扫描轨道8。

这里，在图3中，将从扫描镜3的旋转中心(原点)到垂直投射面4上的投射区域左端为止的距离设为LL，将从该原点到倾斜投射面5上的投射区域左端为止的距离设为LL′。而且，将从原点到垂直投射面4上的投射区域右端为止的距离设为LR，将从该原点到倾斜投射面5上的投射区域右端为止的距离设为LR′。如图3所示，如果从垂直投射面4开始使倾斜投射面5逆时针旋转角度α，从原点到投射区域左端为止的距离为比LL短的LL′，另一方面，从原点到投射区域右端为止的距离为比LR长的LR′。因此，右端的投射区域比左端的投射区域扩展投射距离增大的部分。

此时，对于图3中设为A、B的长度，由于

B/A＝tan2θy    ……(1)

(A-L)/B＝tanα……(2)

成立，因此，

L/A＝1-tan2θytanα＝LR/LR′……(3)。

同样，对于图3中设为C、D的长度，由于

D/C＝tan2θy    ……(4)

(L-C)/D＝tanα……(5)

成立，因此，

L/C＝1+tan2θytanα＝LL/LL′……(6)。

由此，倾斜投射面5上的投射区域左右的投射距离的比LR′/LL′为：

LR′/LL′＝(1+tan2θytanα)/(1-tan2θytanα)……(7)。

这里，如图2所示，将倾斜投射面5上的投射区域左端的高度(垂直方向的距离)设为HL，右端的高度设为HR。由于投射区域左右的高度与投射距离成正比，因此倾斜投射面5上的投射区域左右的高度的比HR/HL为：

HR/HL＝(1+tan2θytanα)/(1-tan2θytanα)……(8)。

因而，如图2所示，投射在倾斜投射面5上的投射区域(倾斜投射区域8)的外形呈投射区域的垂直方向的距离从左向右增大的梯形形状，其扫描轨道为倾斜扫描轨道8′。

而且，由于在倾斜投射面5上，不仅在垂直方向而且在水平方向也被放大投射，因此扫描轨道8′的水平方向(低速扫描方向)的间隔也从投射区域的左侧向右扩大。

如图3所示，在相对于扫描中心轴6呈对称的位置，虽然扫描镜3的偏向速度相同，但越向右走投射距离越长，因此，与图像左侧的扫描间隔P1相比，右侧的扫描间隔P2更宽。这里，所谓扫描间隔，是指在高速扫描方向(第1方向)扫描的激光束在投射面上形成的扫描线在低速扫描方向(第2方向)上的间隔。本来，由于激光束是按利萨如图形扫描，因此扫描线为正弦波状，虽然既非直线也非等间隔，但在扫描间隔最大的部分的间隔成为可显示分辨率。在利萨如显示中，由于扫描区域中央部的扫描间隔最宽，因此设定扫描频率使该部分的扫描间隔为显示分辨率。因而，如果扫描间隔在画面左右发生变化，则在图像右侧，可显示的水平方向的分辨率下降。为了在扫描间隔扩展的右侧部分确保水平分辨率，必须提高扫描频率。

在此种结构下，如图1所示，为了将图像显示在像显示区域9那样的纵(垂直方向的距离)为H、横(水平方向的距离)为W的长方形区域中，虽然能够越往图像右侧越纵向减少像素以缩小显示，但也会导致纵分辨率降低。

因此，在本实施方式中，使扫描镜3在纵方向(第1方向)高速扫描，而在横方向(第2方向)低速扫描，并且，通过调制(改变)纵方向的高速扫描频率使其与横方向的低速扫描频率的周期同步，来改变纵方向(高速扫描方向)的扫描振幅。以下，对通过改变高速扫描频率来调整高速扫描方向的扫描振幅的方法进行详细叙述。

图5表示扫描镜3的扫描振幅-扫描频率特性。该图是扫描镜3的单自由度振动系统(single degree of freedom vibration system)的扫描振幅-扫描频率特性。如果将镜(mirror)的可动部惯性设为J，将支撑部的旋转弹簧常数设为K，则扫描镜3在用下式表示的共振频率f0时具备扫描振幅的峰值，

$f0=(1/2\mathrm{\π})\sqrt{K/J}\·\·\·\·\·\·\left(9\right).$

并且，扫描镜3在f0以下具有一定的低域增益(low-band gain)，而在f0以上呈现出扫描振幅以-20dB/decade(decade为10倍)衰减的特性。

此时，将扫描镜3的扫描频率为共振频率f0时的扫描振幅设为A0，将在高于f0的频率f1时的扫描振幅设为A1。并且，如果使扫描镜3的高速扫描频率从共振频率f0向f1逐渐变化(增加)，则高速扫描方向的扫描振幅从A0向A1逐渐变化(减少)。如果使该高速扫描频率的调制与低速扫描驱动频率同步地渐增变化以便例如在扫描区域的左端成为f0而在右端成为f1，则可形成图5所示的梯形状的扫描区域(投射区域)。图5所示的梯形状的扫描区域是在垂直投射面4上的扫描区域。

因此，只要使垂直投射面4上的扫描区域的右与左的高度(高速扫描方向的扫描振幅)的比A0/A1与前述的倾斜投射面5上的扫描区域的左右高度的比HR/HL一致，就能够将倾斜投射时的扫描区域修正为如图1的修正扫描区域10般的长方形状。

实际上，也可能产生基于扫描镜3的可动部的惯性、支撑部的阻尼系数(dampingcoefficient)、调制高速扫描方向的扫描振幅的低速扫描频率，无法将在高速扫描频率为f1时的扫描振幅充分抑制到A1的情况。一般而言，可动部的惯性越高，支撑部的阻尼系数越低，低速扫描频率越高，高速扫描振幅的变化就越难追随低速扫描频率。即，无法提高A0/A1的比率。

在这种情况下，也可以使高速扫描频率变化到比从频率特性读取的f1更大，使振幅调制度更强(由此，调整扫描振幅以达到A1)。这是因为，与调制施加至扫描镜的驱动信号的电压的情况不同，并非是缓和驱动力来抑制振幅，而是保持着将驱动信号以固定电平施加至扫描镜3，使施加时机发生变化，因此有强制性地制止扫描镜3的可动部要惯性振动的效果。

因而，与以往的调制施加至扫描镜的驱动信号的电压來控制扫描振幅的的方法相比，像本实施方式这样通过改变高速扫描频率來控制扫描振幅的方法，即使在可动部惯性更大，支撑部的阻尼系数更低，低速频率更高的情况下，也能够可靠地控制扫描振幅，使扫描区域的形状成为所希望的形状。

而且，根据图5的图解，扫描振幅达到A1的扫描频率f2在比f0低的一侧也存在。因而，即使调制高速扫描频率使其渐减变化以便在扫描区域的左端为f0，在右端为f2，也能够与上述情况同样，使垂直投射面4上的扫描区域的左侧高度达到A0，右侧高度达到A1。

但是，此时，由于在纵(高速扫描方向)的扫描振幅被抑制在A1的方向，纵扫描频率下降、即纵扫描速度下降，因此该方向为扫描线的水平方向(低速扫描方向)的间隔扩展的方向。

如前所述，当倾斜投射时，在扫描振幅扩展的一侧(即，应进行驱动以抑制扫描振幅的一侧)，水平方向的扫描间隔也扩展。因此，如果进一步降低并调制应进行驱动以抑制扫描振幅的一侧的扫描频率，则单位面积的扫描线数目进一步减少，水平分辨率会降低。因此，较为理想的是，提高并调制扫描频率使得在抑制扫描振幅的一侧扫描间隔变窄。

即，在因倾斜投射而使投射距离变远的方向上进行低速扫描时，调制频率以使高速扫描频率从f0开始增加，相反地，在投射距离变近的方向上进行低速扫描时，调制频率以使高速扫描频率减少而恢复至f0。由此，通过共振驱动以便抵消因倾斜投射产生的梯形失真的扫描镜的修正扫描动作，能够使激光束的扫描振幅发生变化，并且也能够抑制扫描间隔在低速扫描方向的扩展。即，能够抑制图1所示的图像左侧的扫描间隔P1与右侧的扫描间隔P2的差。因而，能够矫正扫描区域内的分辨率的不均匀。

这里，图9表示低速扫描驱动波形与高速扫描驱动波形之间的关系的波形图。该图9中的(a)所示的低速扫描驱动波形的1个周期对应于例如图5所示的扫描区域的左端→右端→左端这一往复的水平方向的扫描。实际上，扫描镜3的驱动信号和实际的扫描镜3的振动，包括电路在内会产生一定的相位关系，但这里为了便于理解，使相位匹配来进行描绘。

图9中的(b)所示的高速扫描驱动波形，是被调制成在低速扫描驱动波形的1个周期的开始时扫描频率为f0，在半周期后变化为f1，在1个周期时恢复至f0的波形。即，一边与低速扫描驱动波形的周期同步，一边使高速扫描驱动波形的频率逐渐变化。并且，使低速扫描驱动波形与高速扫描驱动波形同步，以便因倾斜投射而使投射距离越长的扫描区域，高速扫描频率越高。

这里，关于高速扫描频率的调制方式，如果像如图9中的(c)所示那样使高速扫描频率直线性地变化，则有能够简单地进行控制的优点。而且，如果像图9中的(d)所示那样使高速扫描频率曲线性地变化，则有频率的变化变得平滑、扫描镜3的振动受扰乱的情况较少的优点。而且，通过将图5所示的扫描振幅-扫描频率特性的曲线形状考虑在内使高速扫描频率变化，也能够直线性地控制扫描振幅的变化。由此，能够使扫描区域的梯形失真被修正后的矩形形状的边更接近直线状。

进而，通过将高速扫描频率调制到大于f1的频率，也能够使低速扫描方向的扫描间隔的修正幅度更大。通过进行这样的高速扫描频率的过度调制(over modulation)，在基于频率调制的扫描振幅抑制过大时，也能够同时提高高速扫描一侧的驱动电压而在放大扫描振幅的方向上进行控制。这样，通过适当结合对高速扫描驱动波形的频率调制和电压控制，可以同时提高对因倾斜投射产生的扫描区域的梯形失真的修正自由度、以及对低速扫描方向的扫描间隔的修正自由度。

而且，较为理想的是，也可以设置对照射至扫描镜3的激光束的焦点进行控制的焦点控制机构，配合上述的频率调制来控制投射面上的光束点径，并配合经过修正的扫描间隔适当地控制投射面上的光束点径。此时的激光束的焦点控制，例如可以通过使光源部1的聚光透镜在光轴方向上位移的致动器以及控制该致动器的控制部14来实现。即，可以是如下结构：光源部1具备未图示的激光光源、准直透镜、聚光透镜以及致动器等，控制部14根据高速扫描频率的变化来控制致动器的驱动。具体而言，控制聚光透镜在光轴上的位置，以便在扫描间隔相对较宽的扫描区域中使倾斜投射面5上的光束点径相对较大，另一方面，在扫描间隔相对较窄的扫描区域中使倾斜投射面5上的光束点径相对较小。由此，具有抑制在画面整体上的扫描线过度重叠或间隙过大的效果。而且，也可以是如下结构：为了补偿因倾斜投射面5上的光束点径变化而引起的辉度变化，控制部14在进行激光束的焦点控制的同时控制激光束的强度。即，在使激光束强度为固定时，倾斜投射面5上的光束点径越大，倾斜投射面5上的单位面积的光量越少，辉度越低。因此，控制所述光源部，以便在倾斜投射面5上的光束点径相对较大的扫描区域中使激光束的强度相对较高，另一方面，在光束点径相对较小的扫描区域中使激光束的强度相对较低。由此，能够降低扫描区域上的辉度不均。

如上所述，在将投射面相对于扫描中心轴倾斜设置时，通过适当地调制扫描镜的高速扫描频率，能够抑制扫描区域的形状的梯形失真，同时，也能够抑制扫描间隔扩展，从而能够实现无效区域较少且分辨率的恶化也较少的良好的图像显示。

然而，振动系统(扫描镜3)的共振频率有时会根据温度而变动。一般而言，当温度上升时，会因热膨胀而导致支撑系统的弹簧常数下降，但由于可动部的惯性未发生变化，因此由上式(9)可知，共振频率将下降。

图6(A)及图6(B)表示共振频率发生了变化时的扫描镜3的扫描振幅-扫描频率特性。图6(A)表示共振频率提高的情况，图6(B)表示共振频率下降的情况。

如图6(A)所示，当扫描镜3的共振频率从f0提高到f0′时，扫描振幅-扫描频率特性从实线向虚线变化。此时，对于f0＜f1满足A0＞A1的关系的扫描频率与扫描振幅之间的关系发生变化。即，在从f0向f1逐渐进行频率调制时，扫描振幅呈如下变化，即，从A0′开始暂时增加而达到A0，随后从A0减少至A1′，相对于扫描频率的渐增变化扫描振幅渐减变化这一原来的关系被破坏。因而，此时，无法控制成图5所示的梯形状的扫描区域。

另一方面，如图6(B)所示，当扫描镜3的共振频率下降时，扫描振幅-扫描频率特性从实线向虚线变化，但此时与图6(A)的情况不同。即，在从f0向f1逐渐进行频率调制时，以实线表示的共振频率下降之前的扫描振幅也从A0逐渐减少至A1(A0＞A1)，同样地，以虚线表示的共振频率下降之后的扫描振幅也从A0′逐渐减少至A1′(A0′＞A1′)。这样，即使扫描镜3的共振频率下降，也能够相对于f0＜f1保持A0＞A1以及A0′＞A1′的关系(即，相对于扫描频率的渐增变化扫描振幅渐减变化的关系)，从而能够控制成梯形状的扫描区域。另外，由于共振频率下降，因此扫描振幅从A1～A0整体地减少至A1′～A0′。该整体性的扫描振幅的减少部分可以通过提高驱动电压(高速扫描驱动波形信号的电压)来修正。

这里，由于在高速扫描方向上驱动扫描镜3的高速扫描频率与低速扫描频率的周期同步地发生变化，因此具有指定的带域(上述情况下为从f0至f1)，而将该带域中的最低的频率作为“基本频率”。

因此，如果将频率调制的基本频率设定为共振频率最高时，则由于共振频率不会再进一步提高，因此相对于扫描频率的渐增变化扫描振幅渐减变化的关系得以维持，从而不会给扫描振幅的控制带来障碍。

共振频率最高时也就是扫描镜3的振动系统的温度最低时。因而，只要将使用温度范围(动作温度范围)内温度最低时的共振频率作为频率调制的基本频率即可。

进而，扫描镜3的振动系统的温度也会根据所照射的激光的功率(power)而发生变动。在扫描镜3的镜部的表面一般形成有铝反射膜。铝的反射率根据激光的波长而为80％～90％的值，被吸收的10％～20％会变成热而使镜部或其周边的支撑部的温度上升。所照射的激光动率是根据要显示的图像的辉度而决定，显示图像为全白时动率最大，全黑时动率为零。因而，在全黑显示时扫描镜3的振动系统的温度最低，因此扫描镜3的共振频率最高。

由以上所述，为了调制高速扫描频率来控制扫描振幅，可以在使用温度为最低温度时，将全黑显示时的共振频率作为基本频率。这样，即使因周围温度变化或基于照射激光动率的扫描镜3的振动系统的温度变化而导致共振频率发生变动，也能够可靠地控制扫描振幅。

如上所述，扫描镜3的共振频率根据(1)使用环境温度以及(2)与图像的辉度相应的激光功率这2个条件而发生变化。因此，只要根据上述的各条件来推断共振频率的变化，则也可以改变高速扫描驱动的基本频率。

另外，当在常温附近使用时，与上述(1)使用环境温度相比，上述(2)与图像的辉度相应的激光动率对扫描镜3的振动系统的温度造成的影响更大，会更大地助长共振频率的变化。但是，在如下文所述那样使扫描型图像显示装置为车载用等时，有时车内的环境温度会达到相当高的温度，上述(1)使用环境温度有时也会较大地助长共振频率的变化。

因此，也可以设置检测使用环境温度的温度传感器，控制部基于该温度传感器的检测结果来改变高速扫描驱动的基本频率。而且，控制部也可以根据上述(2)与图像的辉度相应的激光动率来改变高速扫描驱动的基本频率。作为该控制的一例，也可以每隔指定时间计算出图像的平均辉度，控制部根据该平均辉度来改变基本频率。

另外，如果直接检测扫描镜3的振动系统(尤其是支撑部42)的温度，并根据该检测温度修正上式(9)的弹簧常数K，则能够计算出同时反映上述(1)及(2)的条件的共振频率。因此，也可以设置直接检测扫描镜3的振动系统的温度的温度传感器，控制部基于该温度传感器的检测结果来改变高速扫描驱动的基本频率。

如上所述，通过根据(1)及/或(2)的条件改变高速扫描驱动的基本频率，即使共振频率发生变化，也能够始终修正基本频率使其在共振频率附近。因此，能够在效率总是较好的(in a constant efficient)共振条件附近进行驱动，从而能够实现扫描镜3的小型化以及功耗的降低。

如上所述，当在使用双轴扫描镜的图像显示装置中将投射面相对于扫描中心轴倾斜设置时，通过适当地调制扫描镜的高速扫描频率，能够抑制扫描区域的形状的梯形失真，同时也能够抑制扫描间隔扩展，从而能够实现无效区域较少且分辨率的恶化较少的良好的图像显示。

而且，即使因周围温度变化或基于照射激光动率的振动系统的温度变化而导致共振频率发生变动，也能够可靠地控制扫描振幅。

通过这样的结构，能够实现图8(A)及图8(B)所示的眼镜型的图像显示装置(HMD)。

本实施方式的扫描型图像显示装置11不仅适用于眼镜型的图像显示装置，还适用于例如车载用扫描型图像显示装置、固定型投影机、便携型投影机等各种扫描型图像显示装置。以下，以车载用扫描型图像显示装置为例加以说明。

(实施方式2)

接下来，对将本发明的扫描型图像显示装置应用于车载用的实施例进行说明。

图7是表示本发明的实施方式2中的车载用扫描型图像显示装置的配置的概略图。图7是从后方看到的车辆的驾驶席的示意图，车内设置有前挡玻璃71、后视镜72以及方向盘73等。并且，车载用扫描型图像显示装置从仪表板(dashboard)中央部的投射开口74向方向盘73的背后所设的显示区域(投射面)投射仪表板(instrument panel)部显示76。仪表板部显示76显示速度计或各种指示器(indicator)等。

而且，车载用扫描型图像显示装置还从投射开口75朝向前挡玻璃71(投射面)投射驾驶席部显示77或副驾席部显示78。即，车载用扫描型图像显示装置为所谓的平视显示器(head-up display)。作为被投射在前挡玻璃7上的驾驶席部显示77或副驾席部显示78，可例示速度显示、黑暗环境图像(night vision image)、对行人或障碍物的碰撞警告显示、导航信息等。

由于车载用扫描型图像显示装置具有实施方式1中所说明的结构，因此即使相对于投射面倾斜投射，也能够抑制扫描区域的梯形失真，并且也能够抑制扫描间隔的扩展。因此，可以将小型的扫描型图像显示装置装入驾驶席周边有限的空间内，以在各种位置上显示文字或符号等。

另外，在上述的各实施方式中，对扫描镜与投射面的倾斜配置关系为固定的例子进行了说明，但同样也可以适用于如普通的投影机那样以任意角度向外部屏幕投射的结构。

在扫描镜与投射面的配置关系为固定的情况下，由于激光束射向投射面的入射角α事先已知，因此可以在产品的制造时或安装时预先设定与该入射角α相适应的调制度(从高速扫描频率的基本频率起的变化量)。

与此相对，在扫描镜与投射面的配置关系并不固定的情况下，可以设置例如用户能够任意设定调制度的设定部，让用户能够根据扫描区域的梯形修正的程度来调整修正量。而且，也可以设置能够识别扫描镜与投射面的位置关系的传感器部，使控制部自动设定调制度。例如，可以通过CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)影像传感器等摄像传感器来拍摄投射面以识别扫描区域的梯形失真，由控制部自动调整调制度以矫正该梯形失真。

而且，在如通常的投影机般，以投射面垂直为前提的情况下，可以通过检测扫描型图像显示装置自身的倾斜来推测修正量，因而也可以基于此自动设定调制度。

而且，在本实施方式中，对使用以单体进行二维扫描的双轴扫描镜的情况进行了说明，但也可以使用两个单轴扫描镜。即，本实施方式中，例示了图4所示的能够以单芯片实现双轴扫描的双轴共振型MEMS镜。但是，也可以将单轴扫描MEMS镜分别应用于高速扫描方向及低速扫描方向的驱动。而且，也可以将例如检流镜应用于低速扫描方向的驱动。即，本实施方式的扫描型图像显示装置具有通过改变扫描镜的高速扫描频率来控制扫描振幅的特征，作为扫描镜可适用各种结构。

如上所述，本发明所提供的扫描型图像显示装置的特征在于包括：射出激光束的光源部；在第1方向及与所述第1方向交叉的第2方向上二维扫描所述激光束的扫描镜；以及控制所述扫描镜的驱动的控制部，其中，所述控制部驱动所述扫描镜以使所述第1方向的扫描频率达到比所述第2方向的扫描频率高，并通过改变所述第1方向的扫描频率使其与所述第2方向的扫描频率的周期同步，来改变所述第1方向的扫描振幅。

根据上述的结构，通过所述扫描镜二维扫描激光束而形成显示图像。这里，激光束以第1方向高于第2方向的频率扫描(即，第1方向为高速扫描方向，第2方向为低速扫描方向)。所述扫描镜具有如下的扫描振幅-扫描频率特性，即：在以该扫描镜的第1方向的共振频率驱动时，第1方向的扫描振幅呈现最大，越偏离该共振频率，扫描振幅越减少。如果利用该扫描振幅-扫描频率特性，则能够通过改变第1方向的扫描频率来改变所述第1方向的扫描振幅。因此，控制扫描镜的驱动的控制部改变第1方向的扫描频率使其与第2方向的扫描频率的周期同步，由此来改变第1方向的扫描振幅。以往，是改变扫描镜的驱动电压来调整扫描振幅，但本发明是通过改变扫描频率来调整扫描振幅，在调整扫描振幅的结构上本发明与以往完全不同。根据本结构，例如即使在第2方向的扫描频率比较高的情况下，与上述以往的结构相比，也能够更可靠地调整扫描振幅，从而能够将扫描区域调整为所希望的形状。由此，即使在倾斜投射时也能够显示高画质的图像。

较为理想的是，所述控制部在所述第2方向的扫描频率的前半周期使所述第1方向的扫描频率从基本频率开始渐增变化，而在所述第2方向的扫描频率的后半周期使所述第1方向的扫描频率渐减变化而恢复至所述基本频率。

根据上述的结构，当与第2方向的扫描频率的周期同步地使第1方向的扫描频率发生变化时，在第2方向的扫描频率的前半周期使第1方向的扫描频率渐增变化，而在后半周期使第1方向的扫描频率渐减变化。由此，能够与第2方向的扫描周期同步而平滑地调整第1方向的扫描振幅。

在上述的结构中，较为理想的是，所述第2方向被设定为在通过所述扫描镜扫描的所述激光束倾斜投影至投射面时从所述扫描镜至所述投射面的投射距离发生变化的方向，所述控制部在所述投射距离随着所述第2方向的扫描而渐增时，使所述第1方向的扫描频率从基本频率开始渐增变化，而在所述投射距离随着所述第2方向的扫描而渐减时，使所述第1方向的扫描频率渐减变化而恢复至所述基本频率。

根据上述的结构，在相对于投射面倾斜投射激光束的情况下，当投射距离随着第2方向的扫描而渐增时使第1方向的扫描频率渐增变化。相反地，在投射距离渐减时使第1方向的扫描频率渐减变化。由此，能够将投射面上的扫描区域的梯形失真修正为矩形状。进而，由于相应于第2方向的投射距离渐增，第1方向的扫描频率也渐增，因此能够抑制扫描区域上的扫描间隔的扩展，实现扫描区域上的分辨率的均匀化。

较为理想的是，所述第1方向的所述基本频率被设定为显示图像为全黑时的所述扫描镜的第1方向的共振频率。

在上述的结构中，显示图像为全黑时是显示图像整体的辉度为零时，也就是激光束的动率为零时。此时，扫描镜的振动系统的温度较显示图像为全黑以外时低，因而扫描镜的第1方向的共振频率最高。因此，如果将第1方向的基本频率设定为显示图像为全黑时的第1方向的共振频率，则即使在显示图像为全黑以外时第1方向的共振频率发生变动，第1方向的扫描振幅相对于第1方向的扫描频率的渐增变化而渐减变化的关系也得以维持，从而不会给第1方向的扫描振幅的控制带来障碍。

在上述的结构中，较为理想的是，所述第1方向的所述基本频率被设定为在动作温度范围内温度最低时的所述扫描镜的第1方向的共振频率。

根据上述的结构，当在动作温度范围内为最低温度时，扫描镜的振动系统的温度较其他的动作温度时低，因而扫描镜的第1方向的共振频率最高。因此，如果将第1方向的基本频率设定为在动作温度范围内温度最低时的第1方向的共振频率，则即使在动作温度范围内动作温度发生变化时第1方向的共振频率发生变动，第1方向的扫描振幅相对于第1方向的扫描频率的渐增变化而渐减变化的关系也得以维持，从而不会给第1方向的扫描振幅的控制带来障碍。

较为理想的是，所述扫描镜为双轴共振镜，所述第1方向的所述基本频率被设定为在所述扫描镜的第1方向的共振频率附近。

由此，能够在第1方向的共振频率附近的条件下高效率地共振驱动扫描镜，因此能够实现扫描镜的小型化以及功耗的降低。

较为理想的是，所述控制部通过改变所述第1方向的扫描频率来调整所述第1方向的扫描振幅及所述第2方向的扫描间隔，并且通过改变所述扫描镜的驱动电压来进行所述第1方向的扫描振幅的调整。

这样，通过结合使第1方向的扫描频率发生变化的控制与使扫描镜的驱动电压发生变化的控制，能够同时提高对因倾斜投射而产生的扫描区域的梯形失真的修正的自由度以及对第2方向的扫描间隔的修正的自由度。由此，在倾斜投射时能够显示更高画质的图像。

较为理想的是，所述扫描型图像显示装置还包括焦点控制部，控制所述激光束的焦点以使在所述投射面上的第2方向的扫描间隔越宽的扫描区域，该投射面上的所述激光束的光束点径越大。

由此，起到抑制在显示在投射面上的画面整体扫描线过度重叠或扫描线的间隙过大的效果。

较为理想的是，所述扫描型图像显示装置还包括光束强度控制部，控制所述光源部以使所述投射面上的所述激光束的光束点径越大，该激光束的强度越低。

由此，能够降低显示在投射面上的画面整体的辉度不均。

较为理想的是，所述扫描型图像显示装置还包括调制度设定部，设定所述第1方向的扫描频率的从基本频率起的变化量。

由此，即使在扫描镜与投射面的配置关系并不固定的情况下，也由于可根据该配置关系由调制度设定部调整从基本频率起的变化量，因此能够适当地修正扫描区域的梯形失真。

较为理想的是，所述扫描型图像显示装置还包括眼镜镜片以及作为所述投射面而形成在眼镜镜片的表面的全息镜。

由此，能够实现可显示高画质的图像的眼镜型的扫描型图像显示装置。

另外，用于实施发明的各项方式中的具体实施方式或实施例到底是明确本发明的技术内容，不应只被此类具体例限定而狭义地解释，在本发明的精神和权利要求书的范围内可进行各种变更而加以实施。

产业上的利用可能性

本发明所提供的扫描型图像显示装置可适当地设定扫描图形的形状，能够应用于眼镜型HMD等图像显示装置、显示系统等用途。

Claims (11)

1.一种扫描型图像显示装置，其特征在于包括：

光源部，射出激光束；

扫描镜，在第1方向及与所述第1方向交叉的第2方向上二维扫描所述激光束；以及

控制部，控制所述扫描镜的驱动，其中，

所述控制部，驱动所述扫描镜以使所述第1方向的扫描频率达到比所述第2方向的扫描频率高，并通过改变所述第1方向的扫描频率使其与所述第2方向的扫描频率的周期同步来改变所述第1方向的扫描振幅。

2.根据权利要求1所述的扫描型图像显示装置，其特征在于：所述控制部，在所述第2方向的扫描频率的前半周期使所述第1方向的扫描频率从基本频率开始渐增变化，而在所述第2方向的扫描频率的后半周期使所述第1方向的扫描频率渐减变化从而恢复至所述基本频率。

3.根据权利要求1或2所述的扫描型图像显示装置，其特征在于：

所述第2方向被设定为，在通过所述扫描镜被扫描的所述激光束相对于投射面倾斜投射时，从所述扫描镜至所述投射面的投射距离发生变化的方向，

所述控制部，在所述投射距离随着所述第2方向的扫描而渐增时使所述第1方向的扫描频率从基本频率开始渐增变化，而在所述投射距离随着所述第2方向的扫描而渐减时使所述第1方向的扫描频率渐减变化从而恢复至所述基本频率。

4.根据权利要求2所述的扫描型图像显示装置，其特征在于：所述第1方向的所述基本频率被设定为显示图像为全黑时的所述扫描镜的第1方向的共振频率。

5.根据权利要求2所述的扫描型图像显示装置，其特征在于：所述第1方向的所述基本频率被设定为在动作温度范围内温度最低时的所述扫描镜的第1方向的共振频率。

6.根据权利要求2所述的扫描型图像显示装置，其特征在于：

所述扫描镜为双轴共振镜，

所述第1方向的所述基本频率被设定在所述扫描镜的第1方向的共振频率附近。

7.根据权利要求1或2所述的扫描型图像显示装置，其特征在于：所述控制部，通过改变所述第1方向的扫描频率来调整所述第1方向的扫描振幅及所述第2方向的扫描间隔，通过改变所述扫描镜的驱动电压来调整所述第1方向的扫描振幅。

8.根据权利要求3所述的扫描型图像显示装置，其特征在于还包括：焦点控制部，控制所述激光束的焦点以使在所述投射面上的第2方向的扫描间隔越宽的扫描区域，该投射面上的所述激光束的光束点径越大。

9.根据权利要求8所述的扫描型图像显示装置，其特征在于还包括：光束强度控制部，控制所述光源部以使所述投射面上的所述激光束的光束点径越大，该激光束的强度越低。

10.根据权利要求2所述的扫描型图像显示装置，其特征在于还包括：调制度设定部，设定所述第1方向的扫描频率自基本频率起的变化量。

11.根据权利要求3所述的扫描型图像显示装置，其特征在于还包括：

眼镜镜片；和

作为所述投射面而形成在眼镜镜片表面的全息镜。

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