JP4715595B2 - 光スキャナおよびそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光が入射した反射面の揺動により、その反射面からの反射光を走査する光スキャナおよびそれを備えた画像形成装置に関するものであり、特に、光スキャナの反射面についての構造上の改良に関するものである。

入射光が入射した反射面の揺動により、その反射面からの反射光を走査する光スキャナが既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。かかる光スキャナは、例えば、画像形成の分野や画像読み取りの分野において使用される。画像形成の分野においては、網膜上において光束を走査して画像を直接表示する網膜走査型ディスプレイ装置、プロジェクタ、レーザプリンタ、レーザリソグラフィ等の用途に使用され、一方、画像読取りの分野においては、ファクシミリ、複写機、イメージスキャナ、バーコードリーダ等の用途に使用される。

この種の光スキャナにおいては、小型および軽量であり、かつ、反射後の光量の低下を可能な限り抑えることが強く要望される場合があり、特許文献１には、そのような要望を満たすための光スキャナが一従来例として記載されている。

この従来例においては、反射面を有する揺動体を、その揺動体に装着された圧電体に電荷を供給することにより、揺動軸線まわりに揺動させ、それにより、反射面に斜めに入射した光を走査するように構成されている。
特開２００５−１８１４５５号公報

しかしながら、以上説明した従来例においては、以下の課題があった。

すなわち、特許文献１に示す画像形成装置においては、光が光スキャナの反射面に斜めに入射しており、その入射によって反射面上に形成される入射領域の面積は、反射面に入射する光の進行方向に対する横断面積と比較して大きくなるので、反射面の面積を大きく取らざるを得ない。そのため、光スキャナの寸法が大きくなるという課題があった。

しかも、光スキャナの反射面は、鏡面であり、反射面に光が入射する角度と同一の角度で反射光が出射し、反射光の進行方向が決まってしまう。そのため、光スキャナの配置が制限されたものとなるという課題もある。したがって、光スキャナを含む光学系全体の取付スペースを大きくせざるを得ないことが多い。

そこで、本願発明は、光スキャナの反射面の面積を可及的に小さくすることができ、また、取付スペースを可及的に小さくすることができる光スキャナ、およびそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光スキャナは、入射した入射光を反射する反射面の揺動により、その反射面からの反射光を走査する光スキャナにおいて、前記反射面に回折構造を形成し、前記回折構造は、少なくとも前記入射光のうち所定の波長を有する第１の光束を回折により所定の回折角の方向に出射する第１回折構造と、前記第１回折構造とは異なる幾何学的形状を有し、前記入射光のうち前記第１の光束とは異なる波長を有する第２の光束を回折により前記所定の回折角の方向に出射する第２回折構造と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載の光スキャナは、請求項１に記載の光スキャナの構成において、前記回折構造が、特定次数の回折光の強度を前記特定次数以外の回折光の強度よりも強める構造である。

請求項３に記載の光スキャナは、請求項１または請求項２に記載の光スキャナの構成において、前記走査のために前記反射面と共に揺動する揺動体を有し、前記回折構造が、前記揺動体と同一材料で構成される。

請求項４に記載の光スキャナは、請求項３に記載の光スキャナの構成において、前記回折構造が、ウェットエッチング又はドライエッチングにより形成される。

請求項５に記載の光スキャナは、請求項１または請求項２に記載の光スキャナの構成において、前記走査のために前記反射面と共に揺動する揺動体を有し、前記回折構造が、前記揺動体と異なる材料で形成される。

請求項６に記載の光スキャナは、請求項５に記載の光スキャナの構成において、前記回折構造は、前記揺動体上に樹脂皮膜を形成し、微細な凹凸パターンが形成された金型を前記樹脂皮膜に対して押し付けることにより前記金型の凹凸パターンを前記樹脂皮膜へ転写するナノインプリント方法により形成される。

請求項７に記載の光スキャナは、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光スキャナの構成において、前記回折構造が、一次元回折格子構造である。

請求項８に記載の光スキャナは、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光スキャナの構成において、前記回折構造が、二次元回折格子構造である。

請求項９に記載の光スキャナは、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光スキャナの構成において、前記回折構造が前記入射光を集光または拡散光とするホログラム構造である。

請求項１０に記載の光スキャナは、請求項８または請求項９に記載の光スキャナの構成において、前記回折構造が、前記入射光を特定次数の回折光と他の次数の回折光との複数の反射光に分割する構造である。

請求項１１に記載の画像形成装置は、光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、前記光束を出射する光源と、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光スキャナを有し、当該光スキャナにより、前記光源から出射した光束を走査する走査部とを有する。

請求項１２に記載の画像形成装置は、光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、前記光束を出射する光源と、請求項１０に記載の光スキャナを有し、当該光スキャナの走査により前記光源から出射した光束を、少なくとも２の光束に分割し、前記分割された光束のうち少なくとも１つの光束を所定の走査方向に走査する走査部と、前記光スキャナによる前記走査の範囲内に配置され、前記分割された光束のうち所定の走査方向以外の他の光束の通過を検出する光検出器と、前記光検出器による検出信号に基づき前記光源から前記光束を出射するタイミングを制御する制御手段とを有する。

請求項１３に記載の画像形成装置は、画像信号に応じた光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、前記光束を出射する光源と、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光スキャナを有し、当該光スキャナにより、前記光源から出射した光束を走査する走査部と、前記走査部により走査された前記光束のうち、少なくとも前記第１の光束を透過し、前記第１の光束に隣接する第１の光束以外の光束を遮蔽する遮蔽手段とを有する。

請求項１４に記載の画像形成装置は、請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の画像形成装置において、前記光スキャナが、前記光束を前記反射面に対して垂直方向に入射し、前記反射面に対して斜め方向に出射する位置に配置された。

請求項１５に記載の画像形成装置は、請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の画像形成装置において、前記光スキャナが、前記光束を前記反射面に対して斜め方向に入射し、前記反射面に対して垂直方向に出射する位置に配置された。

請求項１６に記載の画像形成装置は、請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の画像形成装置において、前記光スキャナが、前記光束を前記反射面に対して斜め方向に入射し、前記反射面に対して入射角とは異なる反射角を有する方向に出射する位置に配置された。

請求項１７に記載の画像形成装置は、請求項１１から請求項１６のいずれか一項に記載の画像形成装置に加えて、前記光源から出射される光束を、前記光スキャナの前記反射面に対して、前記光束の波長帯域ごとに異なる入射角で出射する光学系を有する。

請求項１８に記載の画像形成装置は、請求項１１から請求項１６のいずれか一項に記載の画像形成装置に加えて、前記光源から出射する光束の波長差に基づき生じる色収差を補正する光学系を有する。

請求項１９に記載の画像形成装置は、請求項１８に記載の画像形成装置において、前記色収差を補正する光学系は回折光学素子によって構成されている。

請求項２０に記載の画像形成装置は、請求項１９に記載の画像形成装置において、前記回折光学素子が前記光スキャナの後段に設けられた第２の光スキャナの反射面に設けられている。

請求項２１に記載の画像形成装置は、請求項１１から請求項２０のいずれか一項に記載の画像形成装置において、前記光スキャナにより走査された光束を眼の網膜上に導くことで画像を投影表示する網膜走査型画像表示装置である。

請求項１に記載の光スキャナによれば、反射面上に回折構造を形成したので、反射光の反射方向を所望の方向に変えることが可能となり、設計の自由度を増すことができる。例えば、入射光を反射面に対して垂直方向に入射しても、反射光を反射面に対して斜め方向に出射することができるので、光スキャナの取付位置の自由度が上がり、光スキャナを含む光学系全体を小型化し得る。

また、上述のように、入射光を反射面に対して垂直方向に入射した場合には、反射面上に形成される入射領域は、入射光の進行方向に対する横断面がそのまま反映されて拡大することはなく、入射光を反射面に対して斜めに入射する場合と比較して、光スキャナの反射面の面積を可及的に小さくすることができる。さらに、回折構造は、少なくとも第１の光束のための第１回折構造と、第２の光束のための第２回折構造とを有するので、波長の異なる赤色、青色、緑色を入射光として同一の入射角で光スキャナの反射面に同時に入射した場合であっても、画像形成に必要な画像光だけを同一方向に送ることができ、波長の相違に基づく色収差の問題を解消できる。

請求項２に記載の光スキャナによれば、回折構造は、特定次数の回折光強度を、それ以外の次数の回折光強度よりも強める形状となっているので、反射面へ入射する入射光のうち、画像形成に必要な所望の次数の回折光強度を向上でき、良好な回折効率（入射光強度に対する特定次数の回折光強度比）を得ることができる。

請求項３に記載の光スキャナによれば、走査のために反射面と共に揺動する揺動体を有し、回折構造が、揺動体と同一材料で構成されるので、揺動体と光スキャナの反射面とを一体成形することができ、低コストにデバイスを形成できる。

請求項４に記載の光スキャナによれば、回折構造が、ウェットエッチング又ドライエッチングにより形成されるので、反射面上の微細な凹凸パターン加工、高硬度の基盤材料の加工も可能であり、力学的な加工応力も発生しないためシリコン等の軟らかい材料も容易に加工できる。

請求項５及び請求項６に記載の光スキャナによれば、走査のために反射面と共に揺動する揺動体を有し、回折構造が、揺動体と異なる材料で形成されるので、例えば、揺動体上に樹脂皮膜を形成し、微細な凹凸パターンが形成された金型を前記樹脂皮膜に対して押し付けることにより金型の凹凸パターンを樹脂皮膜へ転写するナノインプリント方法により形成することにより、微細加工を簡便・低コストに実現でき、ナノスケールの構造体をごく簡単に形成することが可能となる。

請求項７に記載の光スキャナによれば、回折構造が、一次元回折格子構造であるので、反射面から出射する反射光の反射方向を任意の方向に一次元的に変化させることができる。

請求項８に記載の光スキャナによれば、回折構造が、二次元回折格子構造であるので、反射面から出射する反射光の反射方向を任意の方向に二次元的に変化させることができる。

請求項９に記載の光スキャナによれば、回折構造が、入射光を集光または拡散光とするホログラム構造であるので、画像を広範囲に拡大するときは拡散光とし、狭小範囲に縮小するときは集光とするなど、画像形成の自由度が上がる。

請求項１０に記載の光スキャナによれば、回折構造が、入射光を複数の反射光に分割する構造であるので、複数の反射光のうち少なくとも一つを画像形成用の画像光とし、その他の反射光を画像表示のタイミング制御用や走査時間の検出用とする等、分割後の反射光を種々の用途に使い分けることができる。

請求項１１に記載の画像形成装置によれば、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光スキャナを有するので、反射面において形成する最適な回折構造を選択することで、入射光が反射面で反射する反射方向を自由に設定でき、よって、画像形成装置全体の設計の自由度が増し、光学系全体をできるだけ薄く設計するということも可能となる。

請求項１２に記載の画像形成装置によれば、請求項１０に記載の光スキャナを有し、当該光スキャナの走査により前記光源から出射した光束を、少なくとも２つの光束に分割し、前記分割された光束のうち少なくとも１つの光束を所定の走査方向に走査する走査部と、前記光スキャナによる前記走査の範囲内に配置され、前記分割された光束のうち所定の走査方向以外の他の光束の通過を検出する光検出器と、前記光検出器による検出信号に基づき前記光源から前記光束を出射するタイミングを制御する制御手段とを有するので、光スキャナの反射面に光検出器のための入射光を別途入射させる必要がなくなる。

請求項１３に記載の画像形成装置によれば、遮蔽手段により、走査部により走査された光束のうち、少なくとも第１の光束を透過し、第１の光束に隣接する第１の光束以外の光束を遮蔽するので、反射面において複数に区画された各回折構造において、画像形成に必要な画像光だけを次の光学系へ送り、波長差に基づく反射角の違いにより画像光とは異なる方向へ向かう他の光を次の光学系へ送らずに済み、より高画質な画像形成が可能となる。

請求項１４、請求項１５及び請求項１６に記載の画像形成装置によれば、光スキャナの反射面への入射光の入射方向、反射方向を自由に設定できるので、画像形成装置の設計の自由度が拡がり、装置全体の小型化が可能となる。

請求項１７に記載の画像形成装置によれば、光源から出射される光束を、光スキャナの反射面に対して、光束の波長ごとに異なる入射角で出射する光学系を有するので、反射面での反射角が全光束において同一となるように入射角を調整することができ、光スキャナの反射面の色収差を補正し、より高画質な画像形成が可能となる。

請求項１８、請求項１９及び請求項２０に記載の画像形成装置によれば、光源から出射される光束の波長差に基づき光スキャナにおける光束の反射により生じる色収差を補正する光学系を有するので、光スキャナの反射面に屈折率の異なる物質でコーティングを施して色収差の影響を少なくするなどの措置を採った場合に画像が暗くなる問題やコストがかかるといった問題を回避することができる。

請求項２１に記載の画像形成装置によれば、光スキャナにより走査された光束を眼の網膜上に導くことで画像を投影表示する網膜走査型画像表示装置であるので、光スキャナを含む装置全体を可及的に薄型化できる。

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の実施形態に従う画像形成装置としての網膜走査型ディスプレイ装置が系統的に表されている。この網膜走査型ディスプレイ装置（以下、「ＲＳＤ」と略称する。）は、光束としてのレーザビームを、それの波面および強度を適宜変調しつつ、観察者の眼１０の瞳孔１２を経て網膜１４の結像面上に入射させる。このＲＳＤによれば、その結像面上においてレーザビームが２次元的に走査され、それにより、その網膜１４上に画像が直接に投影される。

このＲＳＤは、光源としての光源ユニット２０を備え、さらに、その光源ユニット２０と観察者の眼１０との間において走査装置２４を備えている。

光源ユニット２０は、３原色（ＲＧＢ）を有する３つのレーザ光を１つのレーザ光に結合して任意色のレーザ光を生成するために、赤色のレーザ光を発するＲレーザ３０と、緑色のレーザ光を発するＧレーザ３２と、青色のレーザ光を発するＢレーザ３４とを備えている。各レーザ３０，３２，３４は、例えば、半導体レーザとして構成することが可能である。

各レーザ３０，３２，３４から出射したレーザ光は、各コリメート光学系４０，４２，４４によって平行光化された後に、波長依存性を有する各ダイクロイックミラー５０，５２，５４に入射させられる。その後、それらダイクロイックミラー５０，５２，５４により、各レーザ光が波長に関して選択的に反射・透過させられる。

具体的には、Ｒレーザ３０から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４０によって平行光化された後に、ダイクロイックミラー５０に入射させられる。Ｇレーザ３２から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２を経てダイクロイックミラー５２に入射させられる。Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４４を経てダイクロイックミラー５４に入射させられる。

それら３つのダイクロイックミラー５０，５２，５４にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、それら３つのダイクロイックミラー５０，５２，５４を代表する１つのダイクロイックミラー５４に最終的に入射して結合され、その後、結合光学系５６によって集光される。

以上、光源ユニット２０のうち光学的な部分を説明したが、以下、電気的な部分を説明する。

光源ユニット２０は、コンピュータを主体とする信号処理回路６０を備えている。信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、各レーザ３０，３２，３４を駆動するための信号処理と、レーザビームの走査を行うための信号処理とを行うように設計されている。

各レーザ３０，３２，３４を駆動するため、信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、網膜１４上に投影すべき画像上の各画素ごとに、レーザビームにとって必要な色と強度とを実現するために必要な駆動信号を、各レーザドライバ７０，７２，７４を介して各レーザ３０，３２，３４に供給する。レーザビームの走査を行うための信号処理については後述する。

また、光源ユニット２０は、温度検出器としての温度センサ６０１を有する温度制御部６０２を備えている。温度制御部６０２は、光源ユニット２０の温度を測定し、その測定値に基づき光源ユニット２０の温度が一定に維持されるように制御する。光源ユニット２０の温度が一定に維持されることにより、レーザビームの波長が、光源ユニット２０の温度変化の影響を受けて変動することを抑制することができるので、網膜１４上に投影される画像の形成をより安定化することができる。なお、温度制御部６０２は、光源ユニット２０の温度を一定に保つために、光源ユニット２０の周辺に設けられたペルチェ素子（図示せず）への印加電圧を制御している。

以上説明した光源ユニット２０は、結合光学系５６においてレーザビームを出射する。そこから出射したレーザビームは、光伝送媒体としての光ファイバ８２と、その光ファイバ８２の後端から放射させられるレーザビームを平行光化するコリメート光学系８４とをそれらの順に経て走査装置２４に入射する。

走査装置２４は、水平走査系１００と垂直走査系１０２とを備えている。

水平走査系１００は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを水平な複数の走査線に沿って水平にラスタ走査する水平走査を行う光学系である。これに対し、垂直走査系１０２は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを最初の走査線から最後の走査線に向かって垂直に走査する垂直走査を行う光学系である。水平走査系１００は、垂直走査系１０２より高速にすなわち高周波数でレーザビームを走査するように設計されている。

水平走査系１００は、本実施形態においては、機械的偏向を行う反射面を備えた弾性体の振動によってその反射面を揺動させることにより水平走査を行う光スキャナ１０４を備えている。光スキャナ１０４は、信号処理回路６０から供給される水平同期信号に基づいて制御される。光スキャナ１０４の構成及び動作については後述する。

光スキャナ１０４によって水平走査されたレーザビームは、図１に示すように、リレー光学系１９４によって垂直走査系１０２に伝送される。

図１に示すように、このＲＳＤは、光検出器としてのビームディテクタ２００を定位置に備えている。ビームディテクタ２００は、光スキャナ１０４によって偏向されたレーザビームを検出することにより、そのレーザビームの主走査方向における位置を検出するために設けられている。ビームディテクタ２００の一例は、ホトダイオードである。ビームディテクタ２００によるレーザビームの主走査方向における位置検出については後述する。

垂直走査系１０２は、図１に示すように、機械的偏向を行う揺動ミラーとしてのガルバノミラー２１０を備えている。ガルバノミラー２１０には、水平走査系１００から出射したレーザビームがリレー光学系１９４によって集光されて入射するようになっている。このガルバノミラー２１０は、垂直走査駆動回路２１１により、ガルバノミラー２１０に入射したレーザビームの光軸と交差する回転軸線まわりに揺動させられる。このガルバノミラー２１０の起動タイミングおよび回転速度は、信号処理回路６０から供給される垂直同期信号に基づいて制御される。

以上説明した水平走査系１００と垂直走査系１０２との共同により、レーザビームが２次元的に走査され、その走査されたレーザビームによって表現される画像が、リレー光学系２１４を経て観察者の眼１０に照射される。本実施形態においては、リレー光学系２１４が、光路上において複数個の光学素子２１５，２１８を並んで備えている。

以上、本発明の実施形態に従う画像形成装置としての網膜走査型ディスプレイ装置の全体構成及び動作について説明したが、次に、光スキャナ１０４の構成及び動作について詳細に説明する。

図２には、光スキャナ１０４が組立て状態で、斜視図で示されている。これに対し、図３には、光スキャナ１０４が分解斜視図で示されている。図２および図３に示すように、光スキャナ１０４は、本体部１１０がベース１１２に装着されて構成されている。

本体部１１０は、シリコン等、弾性を有する材料を用いて形成されている。本体部１１０の厚さは、約１００μｍとされている。本体部１１０は、図３の上部に示すように、概略的には、光が通過し得る貫通穴１１４を有して薄板長方形状を成している。本体部１１０は、外側には固定枠１１６を備え、一方、内側には、反射面１２０が形成された反射ミラー部１２２を有する揺動体１２４を備えている。反射面１２０は、後述するように本発明の特徴である回折構造４０１により形成されている。

このような本体部１１０の構成に対応して、ベース１１２は、図３の下部に示すように、本体部１１０との装着状態において固定枠１１６が装着されるべき支持部１３０と、揺動体１２４と対向する凹部１３２とを有するように構成されている。凹部１３２は、本体部１１０をベース１１２に装着した状態において、揺動体１２４が振動によって変位してもベース１１２と干渉しない形状を有するために形成されている。

図３に示すように、反射ミラー部１２２の反射面１２０は、それの対称中心線でもある揺動軸線１３４を中心として揺動させられる。揺動体１２４は、さらに、その反射ミラー部１２２からそれと同一面上に延びて、その反射ミラー部１２２を固定枠１１６に接合するはり部１４０を備えている。本実施形態においては、反射ミラー部１２２の両側から一対のはり部１４０，１４０がそれぞれ互いに逆向きに延び出している。

各はり部１４０は、１個のミラー側板ばね部１４２と、一対の枠側板ばね部１４４，１４４と、それらミラー側板ばね部１４２と一対の枠側板ばね部１４４，１４４とを互いに接続する接続部１４６とを含むように構成されている。

各はり部１４０においては、ミラー側板ばね部１４２が、反射ミラー部１２２のうち揺動軸線１３４上において互いに対向する一対の縁の一方から、対応する接続部１４６まで延びている。接続部１４６は、揺動軸線１３４と直行する方向に延びている。さらに、各はり部１４０においては、一対の枠側板ばね部１４４，１４４が、対応する接続部１４６の端部から、揺動軸線１３４に対して互いに逆向きにオフセットする姿勢で、揺動軸線１３４に沿って固定枠１１６まで延びている。

各はり部１４０においては、図３に示すように、一対の枠側板ばね部１４４，１４４のそれぞれに、固定枠１１６に及ぶ姿勢で、圧電体１５０，１５２，１５４，１５６が取り付けられている。各圧電体１５０，１５２，１５４，１５６は、図４に示すように、圧電素子１６０を主体として構成されている。

圧電素子１６０は、薄板状を成して揺動体１２４の片面に貼り付けられている。圧電素子１６０は、その貼付面と直角な方向において上部電極１６２と下部電極１６４とによって挟まれており、それにより、各圧電体１５０，１５２，１５４，１５６が構成されている。図３および図４に示すように、上部電極１６２と下部電極１６４とはそれぞれ、各リード線１６６により、固定枠１１６に設置された一対の入力端子１６８，１６８に接続されている。

図３に示すように、本実施形態においては、４個の圧電体１５０，１５２，１５４，１５６が、反射ミラー部１２２を隔てた一対の対向位置に２個ずつ、かつ、揺動軸線１３４に関して互いに線対称的に配置されている。それら４個の圧電体１５０，１５２，１５４，１５６のうち、一方の対向位置に配置されている２個の圧電体１５０，１５４（図３において右側に位置する）が第１対を成し、他方の対向位置に配置されている２個の圧電体１５２，１５６（図３において左側に位置する）が第２対を成している。

本実施形態においては、第１対を成す２個の圧電体１５０，１５４がそれぞれ駆動源として機能し、揺動体１２４を揺動軸線１３４のまわりに捻じり振動させて揺動させる。そのため、各圧電体１５０，１５４においては、上部電極１６２と下部電極１６４とに電圧が印加され、それにより、その印加方向と直交する向きすなわち長さ方向の変位が各圧電体１５０，１５４に発生させられる。

この変位により、図５に示すように、はり部１４０に屈曲すなわち反りが発生する。この屈曲は、はり部１４０のうち固定枠１１６との接続部を固定端とする一方、反射ミラー部１２２との接続部を自由端として行われる。その結果、その屈曲の向きが上向きであるか下向きであるかにより、自由端が上向きまたは下向きに変位する。

第１対を成す２個の圧電体１５０および１５４は、それぞれの圧電素子１６０の自由端が互いに逆向きに変位するように屈曲させられる。その結果、反射ミラー部１２２は、図５に示すように、揺動軸線１３４のまわりに回転させられる。

以上要するに、各枠側板ばね部１４４は、それに貼り付けられた圧電素子１６０の直線変位を屈曲運動に変換する機能を有し、接続部１４６は、各枠側板ばね部１４４の屈曲運動をミラー側板ばね部１４２の回転運動に変換する機能を有しているのである。そのミラー側板ばね部１４２の回転運動に変換する機能を有しているのである。そのミラー側板ばね部１４２の回転運動によって反射ミラー部１２２が回転させられる。

本実施形態においては、第１対を成す２個の圧電体１５０および１５４を互いに逆向きに変位させることにより、反射ミラー部１２２にそれの揺動軸線１３４まわりの往復回転運動すなわち揺動運動が発生させられる。このことを実現するために、第１対を成す２個の圧電体１５０および１５４に交番電圧が互いに逆位相で印加される。その結果、第１対を成す２個の圧電体１５０および１５４の一方が、図３において下向きに撓んだ場合には、他方が、同図において上向きに撓むこととなる。

次に、光スキャナ１０４の反射面１２０に形成された反射型の回折構造４０１の構成について詳細に説明する。

図６は、光スキャナ１０４の反射面１２０に形成された回折構造４０１の拡大図を示したものである。この回折構造４０１は、反射面上に断面が鋸刃状の多数の溝４９９を互いに平行になるよう格子状に形成しており、ブレーズド型と呼ばれるものであり、一次元回折格子の一種である。

回折構造４０１は、この多数の溝４９９の間の滑らかな面で反射される光の間で干渉が生じる回折現象を利用することにより、光源ユニット２０から入射されるレーザビームを所望の角度に反射するものである。

また、回折構造４０１は、ナノインプリント方法によって形成される。すなわち、揺動体１２４の形状が形成されたシリコン等の基板上に樹脂皮膜を形成し、微細な凹凸パターンが形成された金型を当該樹脂皮膜に押し付けることにより、金型の凹凸パターンを当該樹脂皮膜へ転写するのである。

ここで、図８を用いて、回折構造４０１における回折現象について簡単に説明する。図８に示すように、入射光が回折構造４０１に入射角αで入射した場合、波長λの反射光が回折角βで回折する。ここで、入射光とは、レーザビームのうち光スキャナの反射面に入射するものをいう。また、回折光とは、反射光のうち光スキャナの反射面に形成された回折構造により回折したものをいう。この時、次式が成立する。

ここで、ｄ：格子溝間隔
α：入射角（入射光と回折構造法線とのなす角）
β：回折角（回折光と回折構造法線とのなす角）
ｍ：回折次数（ｍ≧０の整数）
λ：波長すなわち、光路差が波長の整数ｍ倍となる場合に、回折角βの方向の光が強め合うこととなる。

よって、光スキャナ１０４の反射面１２０に形成された回折構造４０１により、反射面１２０に入射するレーザビームを所望の反射角βの方向に出射する構成が可能となる。

本実施形態においては、図９に示すように、光スキャナ１０４は、レーザビームが反射面１２０に対して垂直方向に入射し、反射面１２０に対して所望の反射角βの方向に出射する回折構造４０１を反射面１２０に形成している。

かかる構成によれば、進行方向に対して横断面４５３が径ａの円形状であるレーザビームが、光スキャナ１０４の反射面１２０に対して入射すると、レーザビームの入射領域４５４は、横断面４５３と同一形状である径ａの円形状となる。

これに対し、図１０に示すように、従来の光スキャナ３００は、鏡面処理が施された反射面３０２に対して入射角αで斜めに入射したレーザビームが、鏡面反射により反射面１２０に対して入射角αの方向と同一の反射角β方向に出射する構成である。

かかる構成によれば、進行方向に対して横断面３０３が径aの円形状であるレーザビームが、従来の光スキャナ３００の反射面３０２に対して入射すると、レーザビームの入射領域３０４は、楕円形状となり、横断面３０３よりも大きくなる。

したがって、本実施形態の光スキャナ１０４おいては、反射面１２０に対して、同一径aの円形状レーザビームを入射した場合に、反射面１２０の面積が小さくて済み、光スキャナ１０４を含む装置全体を小型化することが可能となる。さらに図７に記載したように反射ミラー８６を設けて、光路を折り曲げる構成とすることで光スキャナ１０４を含む装置全体を薄型にすることが可能となる。

以上は、光スキャナ１０４について、レーザビームが反射面１２０に対して垂直方向に入射され、出射光１が反射面１２０に対して斜め方向に出射される配置とできるように反射面１２０の回折構造４０１を形成することについて説明したが、その他に、図１１に示すように、レーザビームが光スキャナ１０４の反射面１２０に対して入射角αで斜め方向に入射され、反射面１２０に対して垂直方向に出射される配置となるように反射面１２０の回折構造４０１を形成してもよい。また、図１２に示すように、光スキャナ１０４について、レーザビームが反射面１２０に対して入射角αで斜め方向に入射され、反射面１２０に対して入射角αとは異なる反射角（回折角）βとなる方向に出射される配置となるように反射面１２０を形成してもよい。

このように光スキャナ１０４の反射面に回折構造４０１を用いることにより、入射するレーザビームを所望の角度で反射させ、光スキャナ１０４から出射する画像形成用の画像光を所望の方向に設定することができる。

なお、上記回折構造４０１においては、特定次数の回折光の強度をその他の次数の回折光の強度よりも強める構成（たとえば、図８に示すようなブレーズド型の一次元回折格子など）とすることにより、回折効率の低下を抑えることが望ましい。

次に、回折構造４０１によって生成される複数次数の回折光のうち特定次数の回折光を画像形成用の画像光として使用することに加え、他の次数の回折光を利用する例について説明する。ここでは、一例として、光スキャナ１０４の反射面１２０の揺動位置を検出（以下、「揺動位置検出」と呼ぶ。）するために用いる例について説明する。

図１３は、特定次数の回折光を画像形成用の画像光としての出射光１とし、その他の一の次数の回折光を揺動位置検出用の画像光としての出射光２とする回折構造４０１をその反射面１２０に採用した光スキャナ１０４の例を模式的に表した図である。

この図１３に示すように、光スキャナ１０４の反射面１２０に対して垂直方向に入射したレーザビームは、回折構造４０１を有する反射面１２０によって、出射光１及び出射光２として互いに異なる反射方向に分割される。出射光１は、画像形成用の画像光として、図示しない次のリレー光学系１９４に送られる。一方、出射光２は、定位置に備えられたビームディテクタ２００に入射する。ビームディテクタ２００は、出射光２を検出して揺動位置検出を行うことにより、出射光１の走査位置を検出する。

ビームディテクタ２００による揺動位置検出について図１４及び図１５を用いて具体的に説明する。図１４に示すように、ビームディテクタ２００は、出射光２の通過を検出すると、出射光２がビームディテクタ２００の設置位置Ｄ点に到達したことを示す信号をＢＤ信号として出力し、その出力されたＢＤ信号は図示しない信号処理回路６０に供給される。図１４、１５に示すように、このビームディテクタ２００から出力されたＢＤ信号に応答し、信号処理回路６０は、ビームディテクタ２００が設置位置Ｄ点で出射光２を検出した時点から往路画像開始位置Ｅ点に到達するまでの設定時間ｔ１が経過するのを待って、必要な駆動信号ＥＦを図示しない各レーザドライバ７０，７２，７４に供給する。

その後、出射光２が往路画像開始位置Ｅ点を通過した時点から、復路画像開始位置Ｆ点を通過し、復路最大振幅位置Ｃ点で折り返して、再び復路画像開始位置Ｆ点を通過するまでの設定時間ｔ２が経過するのを待って、再び駆動信号ＥＦを各レーザドライバ７０，７２，７４に供給する。出射光１の走査振幅と出射光２の走査振幅は同一であるので、かかる信号処理により、画像光としての出射光１の実際位置が検出され、さらに画像表示開始タイミングが決定され、その決定された画像表示開始タイミングで画像表示が開始される。よって、画像信号とレーザビーム走査位置との対応が確実となる。

なお、出射光１や出射光２は、図１６に示すように、ビーム径が進行方向に対して徐々に小さくなる集光として出射する回折構造（例えば、図１７に示すホログラム構造など）を反射面１２０に採用するようにしてもよい。このように出射光を集光させることによって、光スキャナ１０４の反射面１２０に入射するレーザビームの入射光量が小さい場合であっても、出射光１及び出射光２の出射光量を大きくすることができる。よって、レーザビームの入射光量を抑えつつ、出射光１については、より鮮明な画像光とすることができ、出射光２については、ビームディテクタ２００による揺動位置検出をより確実なものとすることができる。

また逆に、出射光１や出射光２は、図１８に示すように、ビーム径が進行方向に対して徐々に大きくなる拡散光として出射する回折構造を反射面１２０に採用するようにしてもよい。このように出射光を拡散光とすることによって、出射光１については、より広範囲の画像形成が可能となる。また、出射光２については、レーザビームの入射光量を上げることにより、ビームディテクタ２００による揺動位置検出をより確実なものとすることができる。

以上、光スキャナ１０４の反射面１２０に形成された回折構造４０１の構成について説明したが、本実施形態はかかる構成に限定されるものではない。

ところで、上述の通り、回折構造は、波長（色）によって回折角が異なるという特徴を有するが、この特徴のため、光スキャナ１０４の反射面１２０に複数色から成るレーザビームが入射した場合に、最終的に観察者の網膜１４に形成される画像にずれが発生する。かかる現象を色収差というが、以下、色収差を補正するための３つの構成について説明する。

まず、図１９を用いて、光スキャナ１０４の反射面１２０に形成された回折構造４０１を利用して色収差を補正する第１の構成について説明する。図１９（ａ）は、光スキャナ１０４の反射面１２０における任意の範囲Ｑ部の拡大図である。図１９（ａ）に示すように、本実施形態において、光スキャナ１０４の反射面１２０に形成された回折構造４０１は、それぞれ赤色光用の回折構造Ｒ、緑色光用の回折構造Ｇ、青色光用の回折構造Ｂに複数に区分され、回折構造Ｒ，Ｇ，Ｂの順で規則的に配置されている。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）における光スキャナ１０４のＰ−Ｐ断面図である。また、光スキャナ１０４と図示しないリレー光学系１９４との間には、特定の方向の光しか透過しない遮蔽手段としての遮蔽板８０１が設置されている。ここでは、説明の簡単のため、出射光２を図示せず、出射光１だけを図示して説明する。

回折構造Ｒ，Ｇ，Ｂは、それぞれ、異なる幾何的形状を有し、レーザビームが反射面１２０に対して垂直方向に入射すると、それぞれ回折構造Ｒにおいては赤色光、回折構造Ｇにおいては緑色光、回折構造Ｂにおいては青色光が、図示しない次のリレー光学系１９４へ向かって、出射光１として出射するように配置されている。

具体的には、回折構造Ｒに入射したレーザビームは、レーザビームを構成する３原色（赤色、緑色、青色）のうち赤色の波長帯域にある赤色光Ｒ１だけが、回折によりリレー光学系１９４へと出射され、その他の緑色及び青色の波長帯域にある光（それぞれ緑色光Ｇ１、青色光Ｂ１とする。）は、リレー光学系１９４へは向かわずに異なる方向に出射される。

また、遮蔽板８０１は、緑色光Ｇ１及び青色光Ｂ１を遮蔽し、赤色光Ｒ１のみを透過してリレー光学系１９４へと送る。

同様に、回折構造Ｇに入射したレーザビームは、緑色の波長帯域にある緑色光Ｇ２だけが、回折により回折角βの方向に出射され、遮蔽板８０１を透過する。回折構造Ｂに入射したレーザビームは、青色の波長帯域にある青色光Ｂ３だけが、回折により回折角βの方向に出射され、遮蔽板８０１を透過する。

すなわち、赤色光Ｒ１、緑色光Ｇ２及び青色光Ｂ３は、遮蔽板８０１を介して出射光１として同一の方向に出射されるので、色収差は補正されることとなる。

よって、リレー光学系１９４へ送られた出射光１は、色収差が補正された状態で画像形成用の画像光として用いられるので、より高画質の画像形成が可能となる。

一方、それぞれの回折構造において、出射光１とは異なる方向に出射された光は、遮蔽板８０１により遮蔽され、その後のリレー光学系１９４へと送られることはないので、より高画質の画像形成が可能となる。

次に、図２０を用いて、別に光学系を設けて色収差を補正する第２の構成を説明する。

図２０に示すように、本実施形態において、光スキャナと図示しないリレー光学系１９４との間に色収差補正光学系９０１を備えている。色収差補正光学系９０１としては、プリズム、屈折率が異なる素材のレンズを組み合わせたアクロマートレンズが考えられる。

前述のように、光スキャナ１０４の反射面１２０に入射したレーザビームは、反射面１２０に形成された回折構造４０１における回折より異なる波長（色）の光ごとに異なる回折角の方向に出射されるが（例えば、出射光１及び出射光２）、色収差補正光学系９０１を通過することにより、異なる波長の出射光が平行化されて、リレー光学系１９４へと送られる。

よって、図示しないリレー光学系１９４には、レーザビームの色収差が色収差補正光学系９０１を介して補正された状態で送られるので、高画質の画像形成が可能となる。

なお、色収差補正光学系９０１として回折光学素子を用いても良い。さらに、かかる回折光学素子がリレー光学系１９４の後に配置される第２の光スキャナとしてのガルバノミラー２１０の反射面上に設けられても良い。かかる構成とすることにより、レーザビームは、その色収差が補正された状態で観察者の眼１０の瞳孔１２を経て網膜１４の結像面上に入射される。

次に、図２１を用いて、色によって入射角を変えることにより色収差を補正する第３の構成について説明する。

本実施形態において、図２１に示すように、光源ユニット２０’は、ダイクロイックミラー５０，５２，５４及び結合光学系５６を有しない点を除き、光源ユニット２０と同一の構成である。簡単のため、図２１に示すように、光源ユニット２０’において、各レーザ３０，３２，３４及びコリメート光学系４０，４２，４４以外の構成は図示していない。

また、光源ユニット２０’は、各レーザ３０，３２，３４から出射した各レーザ光をコリメート光学系４０，４２，４４を介して平行光化した後に、それぞれ独立の角度で出射する構成となっている。

各レーザ３０，３２，３４から出射した各レーザ光はコリメート光学系４０，４２，４４を介して平行光化された後に反射ミラー８６で反射されて、光スキャナ１０４の反射面１２０に対してそれぞれ異なる入射角で入射する。

光スキャナ１０４の反射面１２０に対してそれぞれ異なる入射角で入射した各レーザ光は、反射面１２０に形成された回折構造４０１における回折により、各レーザ光ごとに異なる回折角の方向に出射される。

この際、各レーザ３０，３２，３４及びコリメート光学系４０，４２，４４は、各レーザ光が光スキャナ１０４の反射面１２０に入射する際の入射角を調整して同一の回折角βで出射されるように位置調整可能な状態で設置されている。

よって、各レーザ３０，３２，３４及びコリメート光学系４０，４２，４４の位置を調整することにより、各レーザ３０，３２，３４が同一の回折角βの方向に出射されるので、色収差を補正することができる。

また上記構成の他、コリメート光学系４０，４２，４４の後に、結合光学系、光ファイバ、コリメート光学系をこの順にそれぞれ配置し、各コリメート光学系から各レーザを出射する構成としてもよい。光ファイバを介することにより、各レーザが光スキャナ１０４の反射面１２０に入射する際の入射角の調整がより容易となる。

以上、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記[課題を解決するための手段]の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。例えば、回折構造４０１の構成としては様々なパターンが考えられるが、本実施形態で詳説したブレーズド型以外の断面形状を有し（図示せず）、多数の直線溝４１２を互いに平行に格子状に設けた一次元回折格子４０２（図２２）を採用しても良い。また多数の直線溝４１３を所定の間隔で互いに平行に格子状に設けたものをさらに直角に交差させて碁盤目状に設けた二次元回折格子４０３（図２３）、多数の円形溝４１５を同心円状に配置して設けた二次元回折格子４０５（図２４）を採用してもよい。回折構造４０１として、これらの回折格子を適宜選択することにより、入射するレーザビームを所望の角度で反射させ、光スキャナ１０４から出射する画像形成用の画像光を所望の方向に設定することができる。

かかる回折構造４０１は、揺動体１２４と同一材料であるシリコン等の材料で一体的に形成されることが望ましい。すなわち、回折構造４０１は、図２５（ａ）に示すように、揺動体１２４の形状が形成されたシリコン等の基板上４９６に感光性のレジスト４９８を塗布し、マスク４９７を通して露光することで溝４９９を形成した後に、図２５（ｂ）に示すように、ウェット又はドライエッチングにより不要なレジスト４９８を除去することにより形成される。

本発明の第１実施形態に従う光スキャナを備えた網膜走査型ディスプレイ装置を示す系統図である。 図１における光スキャナを組み立てた状態で示す斜視図である。 図１における光スキャナを示す分解斜視図である。 図２における揺動体の一部を示す縦断面図である。 図２における揺動体を示す斜視図である。 光スキャナの反射面に形成された回折構造の拡大図である。 光スキャナにおいて、反射ミラーを設けて、光路を折り曲げる構成を説明するための図である。 回折構造における回折現象について説明するための図である。 光スキャナについて、レーザビームが反射面に対して垂直方向に入射され、出射光１が反射面に対して斜め方向に出射される配置とできるように反射面の回折構造を形成した状態を説明するための図である。 従来の光スキャナの構成を示した図である。 光スキャナについて、レーザビームが光スキャナの反射面に対して入射角αで斜め方向に入射され、反射面に対して垂直方向に出射される配置となるように反射面の回折構造を形成した状態を説明するための図である。 光スキャナについて、レーザビームが反射面に対して入射角αで斜め方向に入射され、反射面に対して入射角αとは異なる反射角（回折角）βとなる方向に出射される配置となるように反射面を形成した状態を説明するための図である。 レーザビームを分割する回折構造をその反射面に採用した光スキャナの例を模式的に表した図である。 出射光２の走査とビームディテクタの位置関係を示した図である。 ビームディテクタによる揺動位置検出を説明するための図である。 ビーム径が進行方向に対して徐々に小さくなる集光として出射する回折構造を反射面に採用した光スキャナを示した図である。 ホログラム構造を示した図である。 ビーム径が進行方向に対して徐々に大きくなる拡散光として出射する回折構造を反射面に採用した光スキャナを示した図である。 光スキャナの反射面に形成された回折構造を利用して色収差を補正する第１の構成を説明するための図である。 別に光学系を設けて色収差を補正する第２の構成を説明するための図である。 色によって入射角を変えることにより色収差を補正する第３の構成について説明するための図である。 一次元回折格子を示した図である。 二次元回折格子を示した図である。 多数の円形溝を同心円状に配置して設けた二次元回折格子を示した図である。 ウェットエッチング又はドライエッチングを用いた回折構造の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

２０ 光源ユニット
２４ 走査装置
６０ 信号処理回路
１００ 水平走査系
１０２ 垂直走査系
１０４ 光スキャナ
１２０ 反射面
１２２ 反射ミラー部
１２４ 揺動体
１９４ リレー光学系
２００ ビームディテクタ
４０１ 回折構造
６０１ 温度センサ
６０２ 温度制御部
８０１ 遮蔽板
９０１ 色収差補正光学系

Claims (21)

1. 入射した入射光を反射する反射面の揺動により、その反射面からの反射光を走査する光スキャナにおいて、前記反射面に回折構造を形成し、
   前記回折構造は、
   少なくとも前記入射光のうち所定の波長を有する第１の光束を回折により所定の回折角の方向に出射する第１回折構造と、
   前記第１回折構造とは異なる幾何学的形状を有し、前記入射光のうち前記第１の光束とは異なる波長を有する第２の光束を回折により前記所定の回折角の方向に出射する第２回折構造と、
   を有することを特徴とする光スキャナ。
2. 前記回折構造は、特定次数の回折光の強度を前記特定次数以外の回折光の強度よりも強める構造である請求項１に記載の光スキャナ。
3. 前記走査のために前記反射面と共に揺動する揺動体を有し、前記回折構造が、前記揺動体と同一材料で構成される請求項１または請求項２に記載の光スキャナ。
4. 前記回折構造は、ウェットエッチング又はドライエッチングにより形成される請求項３に記載の光スキャナ。
5. 前記走査のために前記反射面と共に揺動する揺動体を有し、前記回折構造が、前記揺動体と異なる材料で形成される請求項１または請求項２に記載の光スキャナ。
6. 前記回折構造は、前記揺動体上に樹脂皮膜を形成し、微細な凹凸パターンが形成された金型を前記樹脂皮膜に対して押し付けることにより前記金型の凹凸パターンを前記樹脂皮膜へ転写するナノインプリント方法により形成される請求項５に記載の光スキャナ。
7. 前記回折構造は、一次元回折格子構造である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光スキャナ。
8. 前記回折構造は、二次元回折格子構造である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光スキャナ。
9. 前記回折構造は、前記入射光を集光又は拡散光とするホログラム構造である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光スキャナ。
10. 前記回折構造は、前記入射光を特定次数の回折光と他の次数の回折光との複数の反射光に分割する構造である請求項８または請求項９に記載の光スキャナ。
11. 画像信号に応じた光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、
    前記光束を出射する光源と、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光スキャナを有し、当該光スキャナにより、前記光源から出射した光束を走査する走査部と
    を有する画像形成装置。
12. 画像信号に応じた光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、
    前記光束を出射する光源と、
    請求項１０に記載の光スキャナを有し、当該光スキャナの走査により前記光源から出射した光束を、少なくとも２つの光束に分割し、前記分割された光束のうち少なくとも１つの光束を所定の走査方向に走査する走査部と、
    前記光スキャナによる前記走査の範囲内に配置され、前記分割された光束のうち所定の走査方向以外の他の光束の通過を検出する光検出器と、
    前記光検出器による検出信号に基づき前記光源から前記光束を出射するタイミングを制御する制御手段と
    を有する画像形成装置。
13. 画像信号に応じた光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、
    前記光束を出射する光源と、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光スキャナを有し、当該光スキャナにより、前記光源から出射した光束を走査する走査部と、
    前記走査部により走査された前記光束のうち、少なくとも前記第１の光束を透過し、前記第１の光束に隣接する第１の光束以外の光束を遮蔽する遮蔽手段と
    を有する画像形成装置。
14. 前記光スキャナは、前記光束を前記反射面に対して垂直方向に入射し、前記反射面に対して斜め方向に出射する位置に配置された請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
15. 前記光スキャナは、前記光束を前記反射面に対して斜め方向に入射し、前記反射面に対して垂直方向に出射する位置に配置された請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
16. 前記光スキャナは、前記光束を前記反射面に対して斜め方向に入射し、前記反射面に対して入射角とは異なる反射角を有する方向に出射する位置に配置された請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
17. 前記光源から出射される光束を、前記光スキャナの前記反射面に対して、前記光束の波長ごとに異なる入射角で出射する光学系を有する請求項１１から請求項１６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
18. 前記光源から出射する光束の波長差に基づき前記光スキャナにおける前記光束の反射により生じる色収差を補正する光学系を有する請求項１１から請求項１６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
19. 前記色収差を補正する光学系は回折光学素子によって構成されている請求項１８に記載の画像形成装置
20. 前記回折光学素子が前記光スキャナの後段に設けられた第2の光スキャナの反射面に設けられている請求項１９に記載の画像形成装置。
21. 前記画像形成装置は、前記光スキャナにより走査された光束を眼の網膜上に導くことで画像を投影表示する網膜走査型画像表示装置である請求項１１から請求項２０のいずれか一項に記載の画像形成装置。

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