(57)【要約】【課題】 ポリゴンミラーを使用する光走査装置において、多数の可動ミラーを集積して光スキャニングシステムの軽量化及び小型化を図る方法を提供する。【解決手段】 光源1から出射された入力光11は、光学系2を通過してマイクロミラー6に入射される。マイクロミラー6の回転軸がガルバニックミラー5の回転軸と直交する。マイクロミラー6自体の回転方向18と、ガルバニックミラーの回転方向15とが結合された2軸回転運動をするため、光源1から出射されたビームは光学系2を通過してマイクロミラー6によって反射され、直ちに二次元領域をラスタースキャンする。この場合、ガルバニックミラー5の反射面は、光を反射しない。前記両ミラーの駆動（電磁気力による）によって空間上に走査される全体スキャン領域17は４角形の形状を形成する。【選択図】 図３
2006058883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両方向に往復回転しながら、入力光を反射することによって線型スキャン領域を形成するマイクロミラー部と、
両方向に往復回転しながら前記線型のスキャン領域の入力を受けて反射することによって、二次元スキャン領域を形成するガルバニックミラー部とを含むスキャニングディスプレイシステム。
【請求項２】
前記マイクロミラー部と前記ガルバニックミラー部の回転軸は、互に直角であることを特徴とする請求項１に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項３】
前記マイクロミラー部は、両方向に往復回転しながら、入力光を反射させるマイクロミラーと、前記マイクロミラーの往復回転中、これを支持するフレームと、前記マイクロミラーと前記フレームを連結する連結部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項４】
前記連結部材は、片持ばり、捻りばり、弾性屈伸構造物、シャフトの中から選択される１種を使用することを特徴とする請求項３に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項５】
前記マイクロミラー部は、両方向に往復回転しながら、入力光を反射させるマイクロミラー、前記マイクロミラーの往復回転中、これを支持する基板及び前記マイクロミラーと前記基板が連結される連結部材を含み、前記マイクロミラーの両端及び前記基板には所定の電極が形成され、印加電圧によって発生する所定の電位差による静電気力によって往復回転することを特徴とする請求項１に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項６】
前記ガルバニックミラー部は、  コイルが形成されたガルバニックミラーと、磁石を備え、前記ガルバニックミラーの往復回転中、これを支持するフレームと、前記ガルバニックミラーと前記フレームを連結する連結部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項７】
前記連結部材は、片持ばり、捻りばり、弾性屈伸構造物、シャフトの中から選択される１種を使用することを特徴とする請求項６に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項８】
前記磁石は、前記連結部材と直交する方向に位置することを特徴とする請求項６に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項９】
前記ガルバニックミラー部は、  磁石が形成されたガルバニックミラーと、コイルを備え、前記ガルバニックミラーの往復回転中、これを支持するフレームと、前記ガルバニックミラーと前記フレームを連結する連結部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１０】
前記連結部材は、片持ばり、捻りばり、弾性屈伸構造物、シャフトの中から選択される１種を使用することを特徴とする請求項９に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１１】
前記磁石は、前記連結部材と直交する方向に位置することを特徴とする請求項９に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１２】
前記マイクロミラー部は、1秒に1つの画面を形成するために必要とされるフレームの数に対応して往復回転することを特徴とする請求項１に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１３】
両方向に往復回転するガルバニックミラー部の内部に、両方向に往復回転しながら入力光を反射することによって二次元スキャン領域を形成するマイクロミラー部を含むスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１４】
前記マイクロミラー部と前記ガルバニックミラー部の回転軸は、互に直角であることを特徴とする請求項13に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１５】
前記マイクロミラー部は、両方向に往復回転しながら、入力光を反射させるマイクロミラーと、前記マイクロミラーの往復回転中、これを支持るフレームと、前記マイクロミラーと前記フレームを連結する連結部材を含むことを特徴とする請求項13に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１６】
前記連結部材は、片持ばり、捻りばり、弾性屈伸構造物、シャフトの中から選択される１種を使用することを特徴とする請求項15に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１７】
前記ガルバニックミラー部は、  マイクロミラー部が実装され、コイルが形成されたガルバニックミラーと、磁石を備え、前記ガルバニックミラーの往復回転中、これを支持するフレームと、前記ガルバニックミラーと前記フレームを連結する連結部材を含むことを特徴とする請求項13に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１８】
前記連結部材は、片持ばり、捻りばり、弾性屈伸構造物、シャフトの中から選択される１種を使用することを特徴とする請求項17に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記磁石は、前記連結部材と直交する方向に位置することを特徴とする請求項17に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項２０】
前記ガルバニックミラー部は、  マイクロミラー部が実装され、磁石が形成されたガルバニックミラーと、コイルを備え、前記ガルバニックミラーの往復回転中、これを支持するフレーム及び前記ガルバニックミラーと前記フレームを連結する連結部材を包含することを特徴とする請求項13に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項２１】
前記連結部材は、片持ばり、捻りばり、弾性屈伸構造物、シャフトの中で選択される１種を使用することを特徴とする請求項20に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項２２】
前記磁石は、前記連結部材と直交する方向に位置することを特徴とする請求項20に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【請求項２３】
前記マイクロミラー部は、1秒に1つの画面を形成するために必要とされるフレームの数に対応して往復回転することを特徴とする請求項１３に記載のスキャニングディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力光を反射させるミラーを操作することによって、反射光の経路を空間において変調し、画象を表示する投射方式の走査画象表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査画象（ラスタースキャン）表示装置は、光源から出射されたビームを一次元(リニア,
linear)または二次元(面状,planar)の所定の領域を走査し、画象等の情報を表示する手段を提供する。また、画象表示装置の他にも、フォトダイオード又はフォトディテクタ等の光センサーなどを集積して、一次元または二次元領域に形成された情報をスキャンし読み取るスキャナなどにも適用可能である。
【０００３】
本発明によるスキャニングマイクロミラーは、光源から出射されたビームを一次元または二次元の所定の領域に走査して画象等の情報を表示し、あるいは位置、画象等のデータを読み取るレーザプリンタ、共焦点顕微鏡(confocal microscope)、バーコードスキャナー、スキャニングディスプレィ及び各種センサーなどに適用可能である。  また、  スキャニング装置以外にも反射光の静的方向変調を必要とする光スイッチ素子などにも適用可能である。
【０００４】
最近、光素子技術の発展と共に各種情報の入出力端及び情報伝達の媒体として、光を使用する様々な技術が台頭している。  光源から出射するビームを走査して使用する方法もこの技術の1つであり、その典型的な例として、バーコードスキャナーや基礎的な水準のスキャニングレーザディスプレィなどが含まれる。このようなビームスキャニング技術は、適用事例によって多様な走査速度と走査範囲が要求されるが、既存のビームスキャニング技術としては、ガルバニックミラーや回転型多面体ミラーを使用する方法が主流をなしている。  ガルバニックミラーの場合、数十ヘルツ(Hz)程度の走査速度が要求される応用に適合し、  ポリゴンミラーの場合、数キロヘルツ(KHｚ)程度の走査速度を実現することが可能である。
【０００５】
最近、諸般の技術の発達と共に、ビームスキャニング技術は新しいデバイスに適用させるか、あるいはビームスキャニング技術を、既存の適用事例においてその性能をさらに向上させるための努力が続けられている。レーザスキャニングを使用した高解象度のプロジェクションディスプレィシステムや、  頭部装着型ディスプレィ、レーザプリンタなどが、その例である。このような高品質を必要とするビームスキャニングを必要とするシステムにおいては、  一般的に早い走査速度と大きな角変位を実現できるスキャナーを要求されるが、  従来のポリゴンミラーを使用する場合、  高速回転するモータにポリゴンミラーが装着されている形態をとるため、走査速度を高めるには限界があり、システム全体の大きさと電力消費を減少させることが難しいという欠点がある。さらに、モータによって発生する騒音を根本的に解決しなければならず、複雑な構造に因るコストの低減も期待できない。
【０００６】
図１は、従来技術によるポリゴンミラーを使用した走査装置の概略図である。従来の走査装置は、光源（１）、光学系（２）、ポリゴンミラー（３）、モータ（４）を包含する。  図１を参照すると、光源(1)から出射された入力光(11)は、各種レンズからなる光学系(2)を通過し、ポリゴンミラー(3)によって反射される。  従って、ポリゴンミラーの下部にあるモータ(4)を使用し、ポリゴンミラー(3)を回転させることによって、反射光(14)はポリゴンミラーの回転方向(12)によって決められる方向(13)に走査される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ポリゴンミラーを使用する走査装置の場合、比較的早いスキャニングを実現することはできるが、高解象度のディスプレィなどに適用させるには限界がある。
本発明の目的は、上述のような問題を解決するための光スキャニングシステムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、多数の可動ミラーを集積して光スキャニングシステムの軽量化及び小型化を図る方法を提供することに有る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明のスキャニングディスプレィシステムは、水平の両方向に回転し、入力光を反射させ水平（線型）ビームを形成するマイクロミラーと、垂直の両方向（２方向）に回転し、前記水平ビームを反射させ二次元のスキャン領域を形成するガルバニックミラーを含む。
【０００９】
本発明の他のスキャニングディスプレィシステムは、垂直の両方向に回転するガルバニックミラーの内部に、水平の両方向に回転するマイクロミラーを備え、二次元のスキャン領域を形成する。
【００１０】
本発明のまた他のスキャニングディスプレィシステムは、水平の両方向に回転し、入力光を反射させ水平ビームを形成するマイクロミラーと、垂直の両方向に回転し、前記水平ビームを反射させ、二次元のスキャン領域を形成する電磁力駆動スキャニングミラーを包む。
【００１１】
本発明のまた他のスキャニングディスプレィシステムは、水平の両方向に回転し、入力光を反射させ水平ビームを形成するマイクロミラーと、垂直の両方向に回転する電磁力駆動スキャニングミラーの内部に、水平の両方向に回転するマイクロミラーを具備して二次元のスキャン領域を形成する。
【００１２】
本発明において、前記マイクロミラーは、片持ばり又は、捻りばり（トーションビーム）によって連結されるのが好ましい。
【００１３】
本発明において、前記電磁力駆動マイクロミラーは、所定の位置で電磁力駆動のためのコイル又は磁性体を有することが望ましい。
【００１４】
本発明において、前記各ミラーの回転軸は直交するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上述のように、本発明によるスキャニングシステムは光源から出射されたビームを所定の領域に走査し、画象等の情報を表示し、あるいは画象表示装置とは反対に光路を逆行して、位置、画象等のイメージ平面から反射されるデータを読み取るスキャナー等の情報入力装置として適用可能である。
【００１６】
このようなスキャニングシステムを画象表示装置に適用させる場合、点光源を使用した走査画象表示装置の実現が可能であり、小型・軽量のシステムで大画面を実現し、あるいは、レーザ光源を適用して原色表現力に優れており、既存のプロジェクションディスプレィシステムでは実現できなかった多様なディスプレィ装置への適用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、下記の各図面の構成要素における参照符号は、同一の構成要素に対しては、他の図面上においても同一の符号とし、また、本発明の要旨を混同させると判断される公知の機能及び構成に対する詳細な説明はこれを省略する。
【００１８】
図２は、本発明の一実施形態によるスキャニングディスプレィシステムの構成図である。
この実施形態において、スキャニングディスプレィシステムは、マイクロミラー(6)とガルバニックミラー(5)を有する。  同実施形態において、マイクロミラー(6)とガルバニックミラー(5)を利用して二次元のスキャニングをする方法を概略的に説明する。
【００１９】
図２において、光源(1)から出射された入力光(11)は、レンズからなる光学系(2)を通過して、高速スキャナーであるマイクロミラー(6)に入射する。  図2で例示したマイクロミラー(6)は、両方向(18)に回転する構造であるため、反射光もまた、両方向(13-1)に走査され水平ビーム(14)を形成する。  マイクロミラー(6)の高速スキャンによって、光路が変更された線型ビーム(14)は、低速スキャナーであるガルバニックミラー(5)によって反射される。ガルバニックミラーの回転軸はマイクロミラーの回転軸に対して垂直であり、前記両ミラーの駆動によって空間上に走査される全体スキャン領域(17)は、４角形の形状を形成する。
【００２０】
このような２軸スキャナーを使用して走査画象表示装置を実現される時、光源(1)とマイクロミラー(6)の間だけでなく、高速スキャナーと低速スキャナーの間、また、低速スキャナーと画象が表示されるスクリーンの面の間にも、レンズ、全反射ミラー等の光学要素を組み合わせた光学系を追加する構成が可能である。
【００２１】
図3は、本発明の一実施形態による他のスキャニングディスプレィシステムを表している。
第２の実施形態において、スキャニングディスプレィシステムは、マイクロミラー(6)とガルバニックミラー(5)が一装置として構成されている。
この実施形態において、入力光の1回の反射のみで、二次元のスキャン領域を確保することが出来る方法を概略的に説明している。
【００２２】
図3を参照すると、高速スキャナーであるマイクロミラー(6)は、その回転軸が低速スキャナーであるガルバニックミラー(5)の回転軸と直交するように装着される。  前記マイクロミラーは弾性のあるフレキシブルな構造物（弾性屈伸構造物）によって前記ガルバニックミラー(5)と連結されるが、この弾性のあるフレキシブルな構造物としては、片持ばり（キャンティレバー）又は捻りばり（トーションバー）を使用するのが好ましい。
【００２３】
作動の原理は、図2の場合と同様であるが、マイクロミラー(6)自体の回転方向(18)と、ガルバニックミラーの回転方向(15)とが結合された2軸回転運動をするため、光源(1)から出射されたビームは光学系(2)を通過してマイクロミラー(6)によって反射され、直ちに二次元領域をラスタースキャンする。したがって、この場合、ガルバニックミラー(5)の反射面は、光を反射しない。
【００２４】
一般的に、一画面を構成するために60Hzの画面が必要だとすれば、前記ガルバニックミラーは60回／秒、往復運動する。これに反し、前記マイクロミラーはスキャンの画素(ピクセル)数に従って所定の速度で高速の往復運動をする。
【００２５】
図4は、本発明の1実施形態によるマイクロミラーの斜視図である。
この実施形態において、マイクロミラーは、ミラー板(201)と捻りばり(202)、可動櫛歯形状電極(203)及び固定櫛歯形状電極(204,205)を有する。
この実施形態は、図4に静電力を利用してマイクロミラーを回転させる方法を示す図である。
【００２６】
図4を参照すると、微細加工技術（ＭＥＭＳ）又はマイクロマシニング(micro-machining)工程によって製作されるマイクロミラーは、反射面が形成さ
れたミラー板(201)が、所定の方向(210)に高速で往復回転運動をすることによって、
反射光の光路を空間的に変調するスキャナーの役割を果たす。
前記ミラー板(201)は、両側に形成され、回転軸の役割をする前記捻りばり(202)によって支持される。ミラー板の両端に形成された可動櫛歯形状電極(203)と基板に形成された固定櫛歯形状電極(204,205)との間に、交互で電位差を印加して静電気力により駆動する。
前記のように、電極の形状を櫛歯模様に形成する理由は、小電圧によっても大きな回転力を得ることが出来るためである。
【００２７】
図5は、本発明の一実施形態による電磁力駆動スキャニングミラーの斜視図である。  本実施形態において、電磁力駆動スキャニングミラーは、外側にコイル(102)が形成されたミラー板(101)、捻りばり(103)、永久磁石(104-1,104-2)及びフレーム(106)を有する。
この実施形態は、電流の流れを制御して、ミラーを回転させる装置を概略的に説明している。
【００２８】
図5において、図5(a)のように、コイル(102)が形成又は装着されたミラー板(101)は、回転軸の役割をなす捻りばり又はシャフト(103)によって支持され、フレーム(106)に装着される。  永久磁石(104-1,104-2)は、捻りばりと直交する方向にフレームに装着されるが、永久磁石(104-1,104-2)による磁場は、コイルに流れる電流の方向と大きさに依存する相互作用力であるローレンツ力によってミラー板を回転させる。ミラー板の回転角度は、前記ローレンツ力によるトルクと、ミラー板の回転によって発生する捻りばりの復元トルクとの間の平衡力によって決定される。
【００２９】
図5(b)は、  電磁力駆動スキャニングミラーの駆動原理を表す概略図である。 図5(b)において、同一の外部磁場(B)に対し、ミラー板（１０１）の所定の位置に供給され、コイル(102)に流れる電流(i)の方向は、ミラー板(101)の上端と下端で互いに反対方向であるため、ミラー板に作用する力(F1、F2)も互いに反対方向になり、ミラー板は捻りばり(103)を回転軸として、図面の(111)の方向に回転される。  前記電流の方向は、所定の時間間隔で変わるので、前記ミラー板の往復運動が可能となる。
【００３０】
フレームの上・下部に形成された永久磁石(104-1,104-2)は、上下方向の磁場が形成されるように多様に配置されることができ、また、フレーム(106)の材質を透磁率の高い物質を使用してエネルギーの効率を高めることが望ましい。
【００３１】
さらに、 永久磁石または磁性体をミラー板(101)に形成し、コイルを前記永久磁石又は磁性体と対向するようにフレーム(106)の所定の位置に設けて、上述のように電磁気力がミラー板を往復回転駆動できるように構成することも可能である。
【００３２】
図６および図７は、低速スキャナーであり、電磁力駆動スキャニングミラーを使用した２軸スキャナーの斜視図である。  低速スキャナーをガルバニックミラーから 電磁力駆動スキャニングミラーに代替したことを除く他の部分は、図２と図３の２軸スキャナーと同様であり、スキャナーの動作原理も同一である。
【００３３】
図８は、本発明のスキャニングディスプレィシステムのブロック図である。
この実施形態において、スキャニングディスプレィシステムは、光源、高速スキャナー、低速スキャナー、スクリーンを含む。
【００３４】
図８(a)は、 高速スキャナーと低速スキャナーが分離されている場合である。  光源から出た光が光学系を通過した後、高速スキャナーに反射されると、上記反射された光は、所定の光学系を通過した後、低速スキャナーで反射される。  前記低速スキャナーで反射された光は、所定の光学系を通過した後、スクリーンに走査される。  前記光学系は各システムによって省略されることも可能である。  図２と図６において説明したスキャニングディスプレィシステムがこの実施形態に該当する。
【００３５】
図８(b)は、高速スキャナーと低速スキャナーが結合されている場合である。
光源から出た光が光学系を通過した後、低速スキャナーと高速スキャナーが結合された装置で反射される。上記反射された光は、所定の光学系を通過した後、スクリーンに走査される。  前記光学系は各システムによって省略されることも可能である。  図３と図７において説明したスキャニングディスプレィシステムがこの実施形態に該当する。
【００３６】
上述のように本発明の好適な実施形態を図面を参照して説明したが、当業者であれば、本発明の特許請求範囲に記載された発明の思想及び領域から外れない範囲内で多様に修正変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術によるポリゴンミラーとガルバニックミラーを使用したスキャナー斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態によるマイクロミラーとガルバニックミラーを使用したラスタースキャニングシステムを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態によるマイクロミラーにガルバニックミラーを装着したラスタースキャニングシステムを示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による静電気力駆動スキャニングマイクロミラーの斜視図である。
【図５】(a)及び(b)は、本発明の一実施形態による電磁力駆動スキャニングミラーの斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態によるマイクロミラーと電磁力駆動スキャニングミラーを使用したラスタースキャニングシステムの斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態によるマイクロミラーを、電磁力駆動スキャニングミラーに装着したスキャナーの斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態による走査画象表示装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・光源                      ２・・・光学系
３・・・ポリゴンミラー            ４・・・モータ
５・・・ガルバニックミラー        11・・・入力光
102、201・・・ミラー板             102・・・コイル
103，202・・・捻りばり            104-1、104-2・・・永久磁石
106・・・フレーム                 203・・・可動櫛歯形状電極
204、205・・・固定櫛歯形状電極
【図１】
2006058883.tif 000003
【図２】
2006058883.tif 000004
【図３】
2006058883.tif 000005
【図４】
2006058883.tif 000006
【図５】
2006058883.tif 000007
【図６】
2006058883.tif 000008
【図７】
2006058883.tif 000009
【図８】
2006058883.tif 000010