(57)【要約】      （修正有）【課題】スキャナを用いてレーザ光を走査することによってスクリーンに画像を形成する画像形成装置において、レーザ光源から出射されるレーザ光を効率的に利用し、形成される画像の高輝度化を図る画像形成装置を提供する。【解決手段】振幅変調したレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射する光源部２０と、レーザ光Ｌ１、Ｌ２を走査してスクリーン５０上に照射して画像を形成する走査手段とを備えた画像形成装置１０であって、走査手段は、レーザ光を水平方向に往復走査してスクリーン５０に照射させる２つのスキャナ３１、４１を有し、２つのスキャナ３１、４１は同一の共振周波数で駆動され、かつ、その駆動パターンの位相が所定ずれ量だけずれており、光源部２０は、所定ずれ量に対応した期間ごとに、２つのスキャナ３１、４１へのレーザ光の照射を切り替える。【選択図】図１
2016156867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振幅変調したレーザ光を出射する光源部と、
前記レーザ光を走査してスクリーン上に照射して画像を形成する走査手段とを備えた画像形成装置であって、
前記走査手段は、前記レーザ光を水平方向に往復走査して前記スクリーンに照射させる２つのスキャナを有し、前記２つのスキャナは同一の共振周波数で駆動され、かつ、その駆動パターンの位相が所定ずれ量だけずれており、
前記光源部は、前記所定ずれ量に対応した期間ごとに、前記２つのスキャナへの前記レーザ光の照射を切り替える
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記スキャナによる走査パターンは、走査方向が水平方向に沿って直線状に延びる主走査領域と、走査方向が往路方向と復路方向の一方から他方へ曲線状に切り替わる遷移領域とからなり、
前記所定ずれ量は前記主走査領域の期間に対応する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記光源部は、前記主走査領域から前記遷移領域に移るタイミングで、前記レーザ光を照射するスキャナを切り替える
ことを特徴とする請求項１から請求項のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記光源部は、前記スキャナによる走査パターンのうち、前記往路方向及び前記復路方向の一方のみのタイミングで駆動される
ことを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記２つのスキャナの駆動パターンの位相のずれはπ／２（ｒａｄ）である
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記光源部は、前記レーザ光の出射方向を切り替えることによって前記２つのスキャナへの照射を切り替える光スイッチを備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項７】
前記スクリーンは、前記レーザ光の走査によって与えられた光を拡散させる拡散手段であり、
前記スクリーンで結像した画像に基づいてウインドシールドに投影画像を生成する投影光学系を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を走査してスクリーン上に画像を形成する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ＭＥＭＳスキャナを用いてレーザ光を透過スクリーンに走査することによって画像を形成する車両用表示装置を開示している。この装置のように、映像ディスプレイ用にスキャナを用いた場合、水平方向の走査では高速動作が必要となるため、スキャナは共振周波数で駆動されることが多い。このような共振型のスキャナを用いた走査では、スクリーン上に描かれる走査パターンは正弦波状の形状となる。この走査パターンは、走査方向が水平方向に沿って直線状に延びる主走査領域と、走査方向が往路方向と復路方向の一方から他方へ曲線状に切り替わる遷移領域とからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−５８２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共振型のスキャナによる走査では、上記遷移領域において、走査軌跡が直線性ではなくなり、さらに走査方向が変化することによって走査速度が低下する。このため、従来の装置においては、走査速度が安定し、走査方向がほぼ一定とみなせる上記主走査領域のみを画像形成に用い、遷移領域はレーザ光をスクリーンに照射しないブランキング期間としている。ここで、主走査領域は、走査の軌跡としては全体の７０％程度を占めるが、遷移領域で走査速度が低下することを考慮すると、時間としては主走査領域における走査は全体の５０％程度となってしまう。このため、スクリーンに照射されるレーザ光は、全時間にわたって照射する場合の半分になってしまうため、形成される画像の輝度もレーザ光源の出射能力の５０％にしかならないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、スキャナを用いてレーザ光を走査することによってスクリーンに画像を形成する画像形成装置において、レーザ光源から出射されるレーザ光を効率的に利用し、形成される画像の高輝度化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の画像形成装置は、振幅変調したレーザ光を出射する光源部と、レーザ光を走査してスクリーン上に照射して画像を形成する走査手段とを備えた画像形成装置であって、走査手段は、レーザ光を水平方向に往復走査してスクリーンに照射させる２つのスキャナを有し、２つのスキャナは同一の共振周波数で駆動され、かつ、その駆動パターンの位相が所定ずれ量だけずれており、光源部は、所定ずれ量に対応した期間ごとに、２つのスキャナへのレーザ光の照射を切り替えることを特徴としている。
【０００７】
これにより、２つのスキャナのうちの一方で走査速度の落ちる期間に他方のスキャナで安定した速度の走査を行うことができるようになるため、レーザ光を効率的に利用でき、画像の輝度を高めることが可能となる。
【０００８】
本発明の画像形成装置において、スキャナによる走査パターンは、走査方向が水平方向に沿って直線状に延びる主走査領域と、走査方向が往路方向と復路方向の一方から他方へ曲線状に切り替わる遷移領域とからなり、上記所定ずれ量は主走査領域の期間に対応することが好ましい。
【０００９】
これにより、位相のずれ量に対応して２つのスキャナを切り替えることができるため、一方のスキャナの遷移領域の間に他方のスキャナの主走査領域で走査を行うことができるようになることから、レーザ光をより効率的に利用でき、これによって画像の輝度をさらにたかめることができる。
【００１０】
本発明の画像形成装置において、光源部は、主走査領域から遷移領域に移るタイミングで、レーザ光を照射するスキャナを切り替えることが好ましい。
【００１１】
これにより、ブランキング期間をなくすことができるため、形成する画像の高輝度化を実現することができる。
【００１２】
本発明の画像形成装置において、光源部は、スキャナによる走査パターンのうち、往路方向及び復路方向の一方のみのタイミングで駆動されることが好ましい。
【００１３】
往路方向と復路方向で、水平方向に対する傾きが異なる場合には、一方の方向のタイミングでレーザ光を照射することにより、傾きの違いを補正することなく画像を形成することができるため、補正回路を必要としない、簡素で安価な構成を実現することができる。
【００１４】
本発明の画像形成装置において、２つのスキャナの駆動パターンの位相のずれはπ／２（ｒａｄ）であることが好ましい。
【００１５】
これにより、ブランキング期間をなくすことができるため、形成する画像の高輝度化を実現することができる。
【００１６】
本発明の画像形成装置において、光源部は、レーザ光の出射方向を切り替えることによって２つのスキャナへの照射を切り替える光スイッチを備えることが好ましい。
【００１７】
これにより、スキャナの切り替えがスムーズに行えるようになるため、レーザ光の走査の連続性を確保できる。
【００１８】
本発明の画像形成装置において、スクリーンは、レーザ光の走査によって与えられた光を拡散させる拡散手段であり、スクリーンで結像した画像に基づいてウインドシールドに投影画像を生成する投影光学系を備えることが好ましい。
これにより、輝度が高く視認しやすい虚像を生成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、スキャナを用いてレーザ光を走査することによってスクリーンに画像を形成する画像形成装置において、レーザ光源から出射されるレーザ光を効率的に利用し、形成される画像の高輝度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る画像形成装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】（Ａ）は第１実施形態における光スイッチが第１反射光を出射する様子を示す側面図、（Ｂ）は（Ａ）の光スイッチが第２反射光を出射する様子を示す側面図である。
【図３】第１実施形態のスクリーン上における走査パターンを説明する図である。
【図４】第１実施形態における投影光学系の構成を示す図である。
【図５】第２実施形態における走査パターンを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る画像形成装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００２２】
図１は、第１実施形態の画像形成装置１０の構成を示す機能ブロック図である。図２（Ａ）は第１実施形態の光スイッチ２３が第１反射光Ｌ１を出射する様子を示す側面図、（Ｂ）は（Ａ）の光スイッチが第２反射光Ｌ２を出射する様子を示す側面図である。図３は、第１実施形態のスクリーン５０上における走査パターンを説明する図である。図３において、Ｘ方向は水平方向、Ｙ方向は垂直方向である。
【００２３】
図１に示すように、画像形成装置１０は、光源部２０と、第１スキャナ３１と、第１スキャナ駆動部３２と、第２スキャナ４１と、第２スキャナ駆動部４２と、スキャナ制御部３３と、スクリーン５０と、全体制御部６０とを備える。光源部２０は、レーザドライバ２１と、レーザ光源２２と、光スイッチ２３とを備える。
【００２４】
レーザドライバ２１は、スクリーン５０上に形成する画像に対応したパターンの信号をレーザ光源２２に供給する。レーザ光源２２は、可視領域のレーザ光を振幅変調して出射する光源であり、レーザドライバ２１から供給される信号の電流量変化に応じた強度の光を出射する。後述するようにスクリーン５０上への走査パターンは正弦波状であって、往路の走査方向と復路の走査方向は水平方向に対して異なる角度を有している。このため、レーザドライバ２１からレーザ光源２２に供給する信号は、往路と復路の傾きの違いを補正したデータに基づいて生成されている。
【００２５】
光スイッチ２３は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、回転軸２３ｃを中心とする略円柱状の部材の表面に第１反射面２３ａと第２反射面２３ｂを設けた構成を備え、回転軸２３ｃを中心に回転可能である。光スイッチ２３の回転は全体制御部６０によって制御される。第１反射面２３ａと第２反射面２３ｂは、例えばアルミニウムの反射コーティングによって一定の反射特性が与えられている。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、光スイッチ２３においては、回転軸２３ｃを中心として等角度（４５°）に８つに分けた領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ８が設定され、これらの領域について第１反射面２３ａと第２反射面２３ｂが交互に設定されている。第１反射面２３ａは曲率半径Ｒ１の曲面であり、第２反射面２３ｂは第１反射面２３ａの曲率半径Ｒ１よりも大きな曲率半径Ｒ２を有する曲面である。さらに、第１反射面２３ａと第２反射面２３ｂは異なる曲率が設定されており、これにより、同じ方向から入射した光に対して、異なる出射角α、β（図２（Ａ）、（Ｂ））で反射光が出射される。このような構成の光スイッチ２３にレーザ光源２２からレーザ光Ｌ０が入射すると、第１反射面２３ａに入射した場合には第１反射光Ｌ１が第１スキャナ３１に向けて出射され、第２反射面２３ｂに入射した場合には第２反射光Ｌ２が第２スキャナ４１に向けて出射される。
【００２７】
第１スキャナ３１と第２スキャナ４１は、光スイッチ２３で反射されたレーザ光を、スクリーン５０上に水平方向及び垂直方向に走査し、これによってスクリーン５０上に画像を形成する走査手段を構成する。第１スキャナ３１は、光スイッチ２３から出射された第１反射光Ｌ１が入射するように配置され、第２スキャナ４１は、光スイッチ２３から出射された第２反射光Ｌ２が入射するように配置されている。第１スキャナ３１は、スキャナ制御部３３からの指示信号に従って第１スキャナ駆動部３２が生成した駆動信号によって、レーザ光を水平方向及び垂直方向に走査するように駆動される。第２スキャナ４１は、スキャナ制御部３３からの指示信号に従って第２スキャナ駆動部４２が生成した駆動信号によって、レーザ光を水平方向及び垂直方向に走査するように駆動される。
【００２８】
第１スキャナ３１と第２スキャナ４１による垂直方向の駆動周波数ｆｖ及び位相は互いに同一である。これに対して、第１スキャナ３１と第２スキャナ４１による水平方向の駆動周波数ｆｈは、共振周波数であって、互いに同一であるが、駆動パターンの位相は互いにπ／２（ｒａｄ）ずらしている。このずれ量は、水平方向の駆動周期で規格化すると０．２５となる。
【００２９】
第１スキャナ３１による走査パターンは、図３において一点鎖線（一部実線）で示す正弦波状のパターンＳ１であり、第２スキャナ４１による走査パターンは破線（一部実線）で示す正弦波状のパターンＳ２である。ここで、図３における座標は、縦軸の１目盛をπ／４（ｒａｄ）に対応させ、横軸は駆動パターンの振幅の最大値が１、最小値が−１となるように設定している。第１スキャナ３１による走査パターンＳ１は、スクリーン５０上において、一点鎖線又は実線の矢印で示すように往復しており、第２スキャナ４１による走査パターンＳ２は、スクリーン５０上において、破線又は実線の矢印で示すように往復する。
【００３０】
図３に示すように、走査パターンＳ１、Ｓ２は、走査方向が水平方向にほぼ沿って直線状に延びる主走査領域Ｂ１と、主走査領域の外側の遷移領域Ｂ２とからなる。遷移領域Ｂ２は、走査方向が往路方向（図３において左から右へ向かう方向）と復路方向（図３において右から左へ向かう方向）の一方から他方へ曲線状に切り替わる領域である。走査パターンＳ１、Ｓ２のいずれにおいても、π／２（ｒａｄ）ごとに、主走査領域Ｂ１の期間と遷移領域Ｂ２の期間が入れ替わっている。さらに、走査パターンＳ１、Ｓ２とでは、一方が主走査領域Ｂ１に入っているときは、他方が遷移領域Ｂ２に入っている。したがって、一方の走査パターンで主走査領域Ｂ１の期間から遷移領域Ｂ２の期間に移るタイミングと、他方の走査パターンで遷移領域Ｂ２の期間から主走査領域Ｂ１の期間に移るタイミングとは重なっている。
【００３１】
以上の構成において、全体制御部６０は、第１スキャナ３１と第２スキャナ４１の水平方向の駆動周波数ｆｈに同期させるように光スイッチ２３を回転駆動させる。この回転駆動においては、走査パターンの位相π／２（ｒａｄ）に対応する期間ごとに、レーザ光Ｌ０が入射する反射面が第１反射面２３ａと第２反射面２３ｂで切り替わっている。これにより、走査パターンＳ１、Ｓ２のうち、主走査領域Ｂ１の期間に入る走査パターンに対応するスキャナに対して、レーザ光が入射するように光スイッチ２３の反射面が切り替えられ、この走査パターンが遷移領域Ｂ２の期間に移るタイミングで、他方の走査パターンに対応するスキャナに対してレーザ光が入射するように、光スイッチ２３の反射面がさらに切り替わる。これを繰り返すことにより、遷移領域Ｂ２の走査パターンを用いることなく、主走査領域Ｂ１内で連続的に直線状の走査を行うことが可能となる。より具体的には、図３の主走査領域Ｂ１において、（１）第１反射光Ｌ１による走査パターンＳ１の直線状パターンＴ１（実線部分）、（２）第２反射光Ｌ２による走査パターンＳ２の直線状パターンＴ２（実線部分）、（３）第１反射光Ｌ１による走査パターンＳ１の直線状パターンＴ３（実線部分）、（４）第２反射光Ｌ２による走査パターンＳ２の直線状パターンＴ４（実線部分）、（５）第１反射光Ｌ１による走査パターンＳ１の直線状パターンＴ５（実線部分）、（６）第２反射光Ｌ２による走査パターンＳ２の直線状パターンＴ６（実線部分）、及び、（７）第１反射光Ｌ１による走査パターンＳ１の直線状パターンＴ７（実線部分）の順に、スクリーン５０上にレーザ光が走査される。したがって、全期間の走査が主走査領域Ｂ１内で行われるため、常時レーザ光を走査することとなる。よって、遷移領域Ｂ２ではレーザ光を照射しない従来の装置と比較すると、レーザ光を照射する時間が２倍となることから、形成される画像の輝度を２倍にすることが可能となる。
【００３２】
次に、画像形成装置１０をヘッドアップディスプレイ装置に適用する構成について説明する。図４は、第１実施形態の投影光学系の構成を示す図である。
【００３３】
スクリーン５０は、例えば、第１スキャナ３１及び第２スキャナ４１からの入射光を、発散角を有する拡散光として出射するディフューザとして構成することができ、レーザ光の走査によって与えられた光を拡散させる拡散手段として機能する。画像形成装置１０を車両に設置し、スクリーン５０に形成される画像を中間画像とし、この中間画像を投影光学系によってウインドシールドに投影することによって虚像を形成するヘッドアップディスプレイ装置を構成することができる。
【００３４】
投影光学系としての投影ミラー７０は、反射面７０ａを有する凹面鏡（拡大鏡）である。スクリーン５０で結像した画像を含む投影光は、投影ミラー７０で拡大・反射される。この反射光は、車両のウインドシールド８０の表示領域に投影される。この表示領域は半反射面として機能するため、入射したイメージ光は、運転者に向けて反射されるとともに、ウインドシールドの前方位置Ｐ１に虚像が形成される。ウインドシールド８０の前方の虚像を目視することで、運転者の目Ｅには、ステアリングホイールの上方の前方に各種の情報が表示されているように見える。
【００３５】
以上のように構成されたことから、第１実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）走査手段として、レーザ光を水平方向に往復走査してスクリーン５０に照射する２つのスキャナ３１、４１を設け、これらのスキャナの駆動パターンの位相が所定ずれ量（π／２（ｒａｄ））だけずれており、この所定ずれ量に対応した期間ごとに、２つのスキャナ３１、４１へのレーザ光の照射を切り替えている。これにより、２つのスキャナ３１、４１のうちの一方で遷移領域となる期間に、他方のスキャナで安定した速度で走査を行うことができるようになるため、レーザ光を効率的に利用でき、画像の輝度を高めることが可能となる。
【００３６】
（２）２つのスキャナ３１、４１による走査パターンが主走査領域と遷移領域からなり、上記所定ずれ量を主走査領域の期間に対応させている。これにより、位相のずれ量に対応して２つのスキャナ３１、４１を切り替えることができるため、一方のスキャナの遷移領域の間に他方のスキャナの主走査領域で走査を行うことができるようになることから、レーザ光をより効率的に利用でき、これによって画像の輝度をさらにたかめることができる。
【００３７】
（３）主走査領域から遷移領域に移るタイミングで、レーザ光を照射するスキャナ３１、４１を切り替えることにより、ブランキング期間をなくすことができるため、形成する画像の高輝度化を実現することができる。
【００３８】
（４）上記所定ずれ量をπ／２（ｒａｄ）とすることにより、ブランキング期間をなくすことができるため、形成する画像の高輝度化を実現することができる。
【００３９】
（５）レーザ光の出射方向を切り替えることによって２つのスキャナ３１、４１への照射を切り替える光スイッチ２３を設けたため、スキャナ３１、４１の切り替えがスムーズに行えるようになるため、レーザ光の走査の連続性を確保できる。
【００４０】
（６）２つのスキャナ３１、４１を切り替えて走査することにより、一方のスキャナによる走査パターンの走査時間の半分を占めるブランキング期間において、他方のスキャナによる走査を実行できる。このため、ブランキング期間のあった従来の装置と比べて、実質的に有効な走査線数を２倍にすることができることから、垂直解像度を向上させることができる。
【００４１】
（７）光スイッチ２３は、回転軸２３ｃを中心にして、２つのスキャナ３１、４１による走査パターンの位相のずれに対応した速度で一定方向に回転させることにより、２つのスキャナ３１、４１へのレーザ光の入射を切り替えている。このため、例えばミラーを往復駆動させてレーザ光の反射方向を変更させるよりも、高速かつ確実にレーザ光を選択的に出射させることが可能となる。
【００４２】
＜第２実施形態＞
つづいて、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る画像形成装置は、第１実施形態の画像形成装置１０と同じ構成であるため、構成の詳細な説明は省略する。
【００４３】
図５は、第２実施形態におけるスクリーン５０上の走査パターンを説明する図である。図５における走査パターンＳ１、Ｓ２は、図３に示す走査パターンＳ１、Ｓ２と同一である。第２実施形態においては、主走査領域Ｂ１内の走査パターンのうち、往路方向（図５において左から右へ向かう方向）のパターンでは、スキャナ３１、４１からスクリーン５０へレーザ光を反射させるが、復路方向（図５において右から左へ向かう方向）のパターンではレーザ光をスクリーン５０へ照射させないブランキング期間としている。より具体的には、図５の主走査領域Ｂ１において、（１）第２反射光Ｌ２による走査パターンＳ２の直線状パターンＴ２（実線部分）、（２）第１反射光Ｌ１による走査パターンＳ１の直線状パターンＴ３（実線部分）、（３）第２反射光Ｌ２による走査パターンＳ２の直線状パターンＴ６（実線部分）、及び、（４）第１反射光Ｌ１による走査パターンＳ１の直線状パターンＴ７（実線部分）の順に、スクリーン５０上にレーザ光が走査される。
【００４４】
レーザ光をこのように走査すると、水平方向に対する傾きが同一である往路方向の走査パターンのみが用いられるため、傾きの異なる往路方向と復路方向の両方の走査パターンを用いる場合と比べて、傾きを考慮して画像を補正した信号をレーザドライバ２１で生成する必要がなくなる。したがって、信号を補正する演算回路が不要となるため、より簡素で安価な構成を実現することができる。
【００４５】
ここで、上述の説明では、往路方向のパターンについてのみレーザ光を照射させていたが、これに代えて、復路方向のパターンについてのみレーザ光を照射させてもよい。この場合は、図３の例では、直線状パターンＴ１、Ｔ４、Ｔ５についてレーザ光を照射させる。
なお、その他の構成、作用、効果は第１実施形態と同様である。
【００４６】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明に係る画像形成装置は、高い輝度の画像の表示に有用であり、ヘッドアップディスプレイ装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１０    画像形成装置
２０    光源部
２１    レーザドライバ
２２    レーザ光源
２３    光スイッチ
２３ａ  第１反射面
２３ｂ  第２反射面
２３ｃ  回転軸
３１    第１スキャナ（走査手段）
３２    第１スキャナ駆動部
３３    スキャナ制御部
４１    第２スキャナ（走査手段）
４２    第２スキャナ駆動部
５０    スクリーン
６０    全体制御部
７０    投影ミラー（投影光学系）
Ｂ１    主走査領域
Ｂ２    遷移領域
Ｌ０    レーザ光
Ｌ１    第１反射光
Ｌ２    第２反射光
Ｓ１、Ｓ２  走査パターン
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７  直線状パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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