控制设备、图像投影装置和控制方法与流程

本发明涉及控制设备、图像投影装置和控制方法。

背景技术：

近年来，作为使用微机械技术进行例如硅和玻璃的微细加工(对硅和玻璃应用半导体制造技术)的微机电系统(mems)设备是一种紧凑的光偏转镜，其中可移动部分在基板上设有反射表面，并且整体形成的弹性梁部分已被开发为用于偏转和扫描光束的手段。作为这种光偏转镜，存在一种压电型光偏转镜，其中薄压电材料叠加在镜的梁形(beam-shaped)弹性部件上，以用于驱动形成压电致动器。此外，通过采用能够进行水平扫描和垂直扫描的二维光学扫描的配置，可以实现二维激光扫描装置的小型化和低成本化。

同时，在用作二维激光扫描装置的图像投影装置中(该二维激光扫描装置通过镜的旋转对光束进行二维扫描在屏幕上形成图像)，需要适当地保持屏幕上的图像的位置和尺寸。另外，当在激光扫描的前向路径和后向路径上形成一个图像时，在前向路径和后向路径上形成的图像的位置必须一致。因此，已知一种技术，其中通过扩大扫描范围使得光束被安装在图像绘制区域周围的光电二极管(pd)接收，以及通过基于pd的光接收定时(timing)控制镜旋转角度和光发射定时，来使图像的位置和大小恒定。

作为使用pd的光接收定时来匹配前向和后向图像的技术，已经提出一种技术，其中通过使用与设定参考定时的pd不同的pd校正参考定时和光发射开始定时，来使用多个pd消除前向与后向图像之间的偏移(参照专利文献1)。

技术实现要素：

技术问题

然而，在专利文献1中公开的技术中，由于为了校正前向与后向图像之间的偏移而安装了多个pd，因此需要用于安装多个pd的光学布局，导致图像投影装置的光学引擎部分的体积增加的问题。

鉴于上述问题作出本发明，本发明的目的在于提供一种能够使用单个pd来抑制前向与后向图像之间的偏移的控制设备、图像投影装置和控制方法。

解决问题的方法

根据本发明的一个方面，控制设备包括获取器、定时检测器、控制器和驱动器。所述获取器被配置为获取从具有光接收表面的光检测器输出的输出电压，在所述光接收表面上接收由光源设备和光偏转器扫描的激光光线(laserlight)。定时检测器被配置为基于与获取器获取的光接收表面对应的输出电压，在扫描方向上分别检测在前向和后向路径上的激光光线的参考定时。控制器被配置为生成控制信号，以用于使光源设备和光偏转器从通过将第一校正时间加到前向路径上的参考定时而获得的时间，在待扫描表面上绘制前向路径图像，并且从通过将第二校正时间加到后向路径上的参考定时而获得的时间，在待扫描表面上绘制后向路径图像。驱动器被配置为基于控制信号，通过驱动光偏转器扫描激光光线并且与对激光光线的扫描动作同步地驱动光源设备的照射动作，来绘制前向路径图像和后向路径图像。

发明的有益效果

根据本发明，可以使用单个pd来抑制前向与后向图像之间的偏移。

附图说明

图1是光学扫描系统的示例的示意图。

图2是光学扫描系统的示例的硬件配置图。

图3是控制设备的示例的功能框图。

图4是根据光学扫描系统的处理的示例的流程图。

图5是用于说明光学扫描系统的激光扫描动作的图。

图6是用于说明光学扫描系统的pd和激光的前向和后向扫描光的配置的图。

图7是用于说明在主扫描方向上扫描的情况下，反射表面上的偏转角以及前向路径图像和后向路径图像的投影定时的图。

图8是用于说明前向与后向图像之间的偏移的图。

图9是示出在pd在前向路径上接收激光扫描光的情况下，输出电压的示例的曲线图。

图10是示出在pd在后向路径上接收激光扫描光的情况下，输出电压的示例的曲线图。

图11a是示出取决于环境改变(驱动频率)而变化的校正时间的示例的曲线图。

图11b是示出取决于环境改变(温度)而变化的校正时间的示例的曲线图。

图11c是示出取决于环境改变(激光量)而变化的校正时间的示例的曲线图。

图12是示出光学扫描系统对于前向和后向图像的校正动作的示例的流程图。

图13是配备有平视(head-up)显示装置的汽车的示例的示意图。

图14是平视显示装置的示例的示意图。

图15是封装的光偏转器的示例的示意图。

图16是从+z方向观看的光偏转器的示例的平面视图。

图17是沿线p-p'截取的图16中所示的光偏转器的截面视图。

图18是沿线q-q'截取的图16中所示的光偏转器的截面视图。

图19是示意性地表示光偏转器的第二驱动部分的变形的视图。

图20示出了曲线图：(a)是示出了施加到光偏转器的压电驱动部分组a的驱动电压a的波形的示例的曲线图；(b)是示出了施加到光偏转器的压电驱动部分组b的驱动电压b的波形的示例的曲线图；以及(c)是示出通过叠加(a)中的驱动电压的波形与(b)中的驱动电压的波形而获得的示例的曲线图。

图21是从+z方向观看的根据变形例的光偏转器的平面视图。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本发明的实施例。

光学扫描系统

首先，将参照图1至图4详细描述根据本发明实施例应用控制设备的光学扫描系统。

图1示出了光学扫描系统的示例的示意图。如图1所示，光学扫描系统10是在包括在光偏转器13中的反射表面14上偏转从光源设备12发射的光并在控制设备11的控制下对待扫描表面15进行光学扫描的系统。光学扫描系统10包括控制设备11、光源设备12、具有反射表面14的光偏转器13、pd16(光检测器)、温度传感器17和光量传感器18。

控制设备11是电子电路单元，包括例如中央处理单元(cpu)和现场可编程门阵列(fpga)。

光偏转器13例如是具有反射表面14并且能够移动反射表面14的mems设备。

光源设备12例如是用激光照射待扫描表面15的激光设备。另外，待扫描表面15例如是屏幕。

pd16是检测由光源设备12扫描的激光的光线的接收的光电二极管。pd16输出与接收到的激光的光量对应的电压。

温度传感器17是安装在pd16附近的传感器，以便检测pd16的温度。光量传感器18是检测从光源设备12发射的激光的光量(光强度)的传感器。

控制设备11基于所获取的光学扫描信息生成用于光源设备12和光偏转器13的控制命令，并基于控制命令将驱动信号输出到光源设备12和光偏转器13。光源设备12基于输入驱动信号从光源发射光。光偏转器13基于输入驱动信号使反射表面14绕第一轴和第二轴中的至少一个旋转。结果，例如，在控制设备11的控制下，基于图像信息(其为光学扫描信息的示例)，通过在预定范围内绕两个轴独立地旋转光偏转器13的反射表面14，并偏转入射在反射表面14上以进行光学扫描的、来自光源设备12的照射光，可以将任意图像投影在待扫描表面15上。注意，稍后将描述光偏转器13以及本实施例的控制设备11的控制的细节。

接下来，将参考图2描述光学扫描系统10的示例的硬件配置。图2是光学扫描系统10的示例的硬件配置图。如图2所示，光学扫描系统10包括彼此电学连接的控制设备11、光源设备12、光偏转器13、pd16、温度传感器17和光量传感器18。

控制设备

作为这些部件之一的控制设备11包括cpu20、随机存取存储器21(ram)、只读存储器22(rom)、fpga23、外部i/f24、光源设备驱动器25、光偏转驱动器26、第一传感器i/f27、第二传感器i/f28和第三传感器i/f29。

cpu20是将来自诸如rom22的储存设备的程序和数据读取到ram21上并执行处理以实现控制设备11的整体控制和功能的运算设备。ram21是暂时保留程序和数据的易失性储存设备。rom22是即使在电源关闭时也能够储存程序和数据的非易失性储存设备，并且储存由cpu20执行以控制光学扫描系统10的每个功能的处理程序和数据。

fpga23是根据cpu20的处理输出适合于光源设备驱动器25和光偏转驱动器26的控制信号的电路。

外部i/f24例如是与外部设备、网络等相接的接口。外部设备包括例如诸如个人计算机(pc)的主机设备和诸如usb存储器、sd卡、cd、dvd、hdd或ssd的储存设备。同时，网络例如是汽车的控制器局域网(can)、局域网(lan)、因特网等。外部i/f24仅需要具有允许与外部设备连接或通信的配置，并且可以为每个外部设备配备。

光源设备驱动器25是根据输入控制信号向光源设备12输出诸如驱动电压的驱动信号的电路。光偏转驱动器26是根据输入控制信号向光偏转器13输出诸如驱动电压的驱动信号的电路。

第一传感器i/f27是用于连接pd16的接口。当pd16检测到激光的光线的接收时，第一传感器i/f27接收从pd16输出的电压。

第二传感器i/f28是用于连接温度传感器17的接口。第二传感器i/f28接收与温度传感器17检测的温度对应的物理量(例如，电流或电压)。

第三传感器i/f29是用于连接光量传感器18的接口。第三传感器i/f29接收与光量传感器18检测的、来自光源设备12的激光的光量对应的物理量(例如，电流或电压)。

在控制设备11中，cpu20经由外部i/f24从外部设备或网络获取光学扫描信息。注意，可以采用任何配置，只要cpu20可以获取光学扫描信息。光学扫描信息可以被保存并存在控制设备11内的rom22或fpga23中，或者可选地，可以在控制设备11内新提供诸如ssd的储存设备，使得光学扫描信息被保存并存在该储存设备中。此处，光学扫描信息是指示如何在待扫描表面15上执行光学扫描的信息。例如，在通过光学扫描显示图像的情况下，光学扫描信息是图像数据。同时，例如，在通过光学扫描进行光学写入的情况下，光学扫描信息是指示写入顺序或写入位置的写入数据。此外，例如，在通过光学扫描进行对象识别的情况下，光学扫描信息是指示发射用于对象识别的光的定时和照射范围的照射数据。根据本实施例的控制设备11可以使用来自cpu20的命令和图2所示的硬件配置来实现接下来要描述的功能配置。

控制设备的功能配置

接下来，将参考图3描述光学扫描系统10的控制设备11的功能配置。图3是光学扫描系统的控制设备的示例的功能框图。如图3所示，控制设备11具有作为功能的控制器30、驱动信号输出单元31(驱动器)、输出电压获取器32、参考定时检测器33、温度获取器34、光量获取器35以及校正器36。

由例如cpu20和fpga23实现的控制器30，其从外部设备获取光学扫描信息，并将光学扫描信息转换为控制信号，以输出到驱动信号输出单元31。例如，控制器30构成控制单元，以便从外部设备等获取图像数据作为光学扫描信息，并通过预定处理从图像数据生成控制信号，以输出到驱动信号输出单元31。

驱动信号输出单元31构成信号施加单元，其由例如光源设备驱动器25和光偏转驱动器26实现，并且基于输入控制信号将驱动信号输出到光源设备12或光偏转器13上。例如，可以为驱动信号输出到的每个对象提供驱动信号输出单元31。驱动信号是用于控制光源设备12或光偏转器13的驱动的信号。例如，光源设备12的驱动信号是控制光源的照射时间和照射强度的驱动电压。同时，例如，用于光偏转器13的驱动信号是控制包括在光偏转器13中的反射表面14的旋转的定时和可移动范围的驱动电压。控制设备11可以从诸如光源设备12的外部设备或光接收设备获取光源的照射定时和光接收定时，并将这些定时与光偏转器13的驱动同步。

输出电压获取器32由例如第一传感器i/f27、cpu20和fpga23实现，并且当从光源设备12发射的激光的光线的接收被pd16检测到时，根据该接收光量获取输出电压输出。

参考定时检测器33由例如cpu20和fpga23实现，并且基于由输出电压获取器32获取的、来自pd16的输出电压检测参考定时，该参考定时是pd16接收激光的光线的定时。下文将参考图9和10描述如何设定参考定时。

温度获取器34由例如第二传感器i/f28、cpu20和fpga23实现，并且获取与温度传感器17检测的pd16的温度对应的物理量(例如，电流或电压)。

光量获取器35由例如第三传感器i/f29、cpu20和fpga23实现，并且获取与光量传感器18检测的、来自光源设备12的激光的光量对应的物理量(例如，电流或电压)。

当参考定时检测器33检测的参考定时由于环境改变而变化时，校正器36根据环境改变(例如，光偏转器13的谐振频率、pd16的温度和光源设备12发射的激光的光量的变化)相对于参考定时改变校正时间。下文将参考图11a至11c描述由校正器36改变校正时间的方法。

注意，图3中示出的控制设备11的控制器30、驱动信号输出单元31、输出电压获取器32、参考定时检测器33、温度获取器34、光量获取器35和校正器36的功能被概念性地表示，而并不限于这种配置。例如，在图3中示出的控制设备11中示出为独立功能单元的多个功能单元可以被配置为一个功能单元。另一方面，图3中示出的控制设备11中的一个功能单元中包括的功能可以被分为多个功能并且被可以配置为多个功能单元。

光学扫描处理

接下来，将参照图4描述光学扫描系统10对待扫描表面15进行光学扫描的处理(光学扫描处理)。图4是根据光学扫描系统的处理的示例的流程图。

在步骤s11中，控制器30从外部设备等获取光学扫描信息。在步骤s12中，控制器30根据所获取的光学扫描信息生成控制信号，并将控制信号输出到驱动信号输出单元31。此外，控制器30基于由参考定时检测器33检测的pd16的参考定时和由校正器36获得的校正时间生成控制信号。

在步骤s13中，驱动信号输出单元31基于输入控制信号将驱动信号输出到光源设备12和光偏转器13。在步骤s14中，光源设备12基于输入驱动信号发光。另外，光偏转器13基于输入驱动信号旋转地驱动反射表面14。通过驱动光源设备12和光偏转器13，光在任意方向上偏转并被光学扫描。

注意，在上述光学扫描系统10中，一个控制设备11包括用于控制光源设备12和光偏转器13的设备和功能，但是用于光源设备的控制设备和用于光偏转器的控制设备可以单独提供。

另外，在光学扫描系统10中，一个控制设备11配备有用于光源设备12和光偏转器13的控制器30的功能以及驱动信号输出单元31的功能，并且这些功能可以被分开提供。例如，可以采用提供包括与包括控制器30的控制设备11分开提供的驱动信号输出单元31的驱动信号输出设备的配置。另外，执行光学偏转的光学偏转系统可以由具有反射表面14的光偏转器13和光学扫描系统10中的控制设备11构成。

接下来，将参照图5描述光学扫描系统10对待扫描表面15进行光学扫描的具体动作。图5是用于说明光学扫描系统的激光扫描动作的图。在光学扫描系统10中，控制设备11根据由pd16检测的激光的定时(参考定时)控制由光源设备12和光偏转器13的激光扫描。例如，如图5所示，由光学扫描系统10的激光扫描是由在图5的页面平面中观看的从左到右的前向路径上交替地重复激光扫描以及从右到左的向后路径上的激光扫描来实现的，其中扫描位置从上侧向下偏移。如图5所示，由光学扫描系统10利用激光在待扫描表面15上扫描的扫描区域50被分成绘图区域50a和非绘图区域50b。pd16安装在非绘图区域50b中。光学扫描系统10仅在安装pd16的部分上发射激光以形成光接收图像51，使得在非绘图区域50b中不出现不必要的光作为图像噪声。光学扫描系统10的激光扫描动作相当于光偏转器13的反射表面14的偏转角。光学扫描系统10使用pd16检测激光的光线的接收的参考定时，作为控制光源设备12的激光的发射定时的参考，从而在作为屏幕等的待扫描表面15上形成(投影)精细图像。

注意，在用作光源的光源设备12被配置为发射多种颜色的激光的情况下，优选地，要在安装pd16的部分上形成的光接收图像51是可以用最短波长侧的颜色的激光描绘的图像。例如，当光源设备12是rgb激光光源时，光接收图像51优选地是仅由蓝色(b)描绘的图像。这使得用户难以在视觉上识别由于例如由pd16上的激光照射引起的不规则反射而导致的不必要的光，因为用户难以在视觉上识别短波长侧的光。

图像投影的参考定时

接下来，将参照图6至图10描述光学扫描系统10的pd16的配置和动作以及用于参考定时的检测方法。

首先，将参考图6描述pd16的配置和用于激光扫描光的检测动作。图6是用于说明光学扫描系统的pd和激光的前向和后向扫描光的配置的图。图6示出了pd16的正视图。来自光源设备12的激光光线(该激光光线已从光偏转器13反射)的方向在待扫描表面15的水平方向上被扫描，该方向被定义为主扫描方向，其中从左到右扫描的情况被定义为前向路径，而从右到左扫描的情况被定义为后向路径。在下文中，在一些情况下，沿主扫描方向扫描的激光光线被称为“激光扫描光”。如图6所示，pd16的光接收表面被一分为二，其中在图6的页面平面中观看的左侧的光接收表面被设定为第一光接收表面16a，而在右侧的光接收表面设定为第二光接收表面16b。如图6所示，第二光接收表面16b的面积被配置为大于第一光接收表面16a的面积。

当在前向路径上扫描激光扫描光时，激光扫描光首先被第一光接收表面16a检测，然后被第二光接收表面16b检测。另一方面，当在后向路径上扫描激光扫描光时，激光扫描光首先被第二光接收表面16b检测，然后被第一光接收表面16a检测。可以通过配置使得光接收表面被一分为二，并且第一光接收表面16a和第二光接收表面16b的面积彼此不同，如在上述pd16中那样，来区分激光扫描光的方向。因此不需要布置多个pd，并且可以使用单个pd(pd16)消除在前向和后向路径上各自投影的前向与后向图像之间的偏移。此外，由于提供单个pd就足够了，所以也不需要配置用于安装多个pd的光学布局，并且可以减小配有光学扫描系统10的图像投影装置等的尺寸。

接下来，将参考图7和8描述pd16的参考定时和前向和后向图像的绘制(投影)定时。图7是用于说明在主扫描方向上扫描的情况下，反射表面上的偏转角和前向路径图像和后向路径图像的投影定时的图。图8是用于说明前向与后向图像之间的偏移的图。

图7中所示的曲线图是示出主扫描方向上的偏转角相对于光偏转器13的驱动时间的曲线图。如稍后将描述的，光偏转器13以谐振振动在主扫描方向上正弦驱动反射表面14，激光扫描光在主扫描方向上在作为屏幕等的待扫描表面15上来回扫描。激光扫描光在前向路径(待检测)上激光扫描光通过pd16采用的偏转角(pd光接收角)的定时(参考定时)的时间定义为t1，而激光扫描光在在反射路径(待检测)上激光扫描光通过pd16采用的偏转角(pd光接收角)的定时(参考定时)的时间定义为t2。从pd16检测激光扫描光的参考定时到在前向路径上绘制(投影)图像(前向路径图像)的时间被定义为前向路径校正时间δt1(第一校正时间)，而从pd16检测激光扫描光的参考定时到后向路径上的图像(后向路径图像)被绘制(投影)的时间被定义为后向路径校正时间δt2(第二校正时间)。在这种情况下，开始前向路径图像的绘制的时间被表示为t1+δt1，以及开始后向路径图像的绘制的时间表示为t2+δt2。另外，前向路径校正时间δt1和后向路径校正时间δt2各自的初始值被预先储存在诸如rom22的储存装置中。

只要相对于参考定时的时间t1和t2适当地设定前向路径校正时间δt1和后向路径校正时间δt2，前向路径图像和后向路径图像在用于图7所示的偏转角的图像绘制范围中一致。在这种情况下，如图8的(a)所示，投影到待扫描表面15上的前向路径图像和后向路径图像的绘制定时一致，并且图像重叠。以这种方式，通过叠加前向路径图像和后向路径图像，可以以当仅用它们中之一执行投影时的亮度的两倍来执行投影。另一方面，图8的(b)示出了当绘制定时偏移时的前向路径图像和后向路径图像。

接下来，将参考图9和10描述pd16的参考定时的检测方法。图9是示出在pd在前向路径上接收激光扫描光的情况下，输出电压的示例的曲线图。图10是示出在pd在后向路径上接收激光扫描光的情况下，输出电压的示例的曲线图。

如图9和10所示，虽然pd16没有检测到激光，但是在第一光接收表面16a与第二光接收表面16b各自的输出电压的偏置电压之间提供了差异。也就是说，在由输出电压获取器32获取的，对应于第一光接收表面16a的输出电压被定义为v1(第一输出电压)以及对应于第二光接收表面16b的输出电压被定义为v2(第二输出电压)的情况下，当两个光接收表面不检测激光时的偏置电压之间的关系被设置为v1>v2。通过以这种方式降低第二光接收表面16b的偏置电压，使得具有比第一光接收表面16a的面积更大的光接收面积的第二光接收表面16b的输出电压的范围(光接收范围)可被加宽，诸如阳光的干扰噪声的影响的边界(margin)可被加宽，并且可以抑制其影响。

另外，假设输出电压v1和v2是时间相关的值并分别表示为v1(t)和v2(t)，参考定时检测器33检测前向路径上的参考定时的时间t1，作为v1(t)≥v2(t)反转为v1(t)≤v2(t)的时间。同时，参考定时检测器33检测后向路径上的参考定时的时间t2，作为v1(t)≤v2(t)反转为v1(t)≥v2(t)的时间。如上所述，通过将第一光接收表面16a与第二光接收表面16b各自的输出电压之间的幅值关系反转的时间定义为参考定时，即使当例如激光光线的光量变化时，也可以使前向路径与后向路径上的参考定时之间的生成时间的偏移难以发生，并且可以提高对光量变化的鲁棒性。

关于参考定时的校正时间的变化处理

接下来，将参考图11a至11c描述当环境改变发生时的校正时间的变化动作。图11a是示出取决于环境改变(驱动频率)而变化的校正时间的示例的曲线图。图11b是示出取决于环境改变(温度)而变化的校正时间的示例的曲线图。图11c是示出取决于环境改变(激光量)而变化的校正时间的示例的曲线图。

如上所述，前向路径校正时间δt1和后向路径校正时间δt2各自的初始值(下文中有时统称为“校正时间”)预先储存在诸如rom22的储存装置中。由于可移动部分的重量、支撑梁部分的刚性等，在主扫描方向上的光偏转器13的反射表面14正弦驱动具有固有的谐振频率。因此，当构件的物理属性根据光偏转器13的使用环境中的温度改变而改变时，反射表面14的谐振频率偏移。同时，光偏转器13的压电薄膜材料的性能也具有温度依赖性，因此，谐振频率根据使用环境中的温度改变而改变。关于在主扫描方向上的反射表面14的谐振振动，期望谐振振动的谐振频率是恒定的，并且在相同的驱动条件下进行恒定的激光扫描，以便连续地投影恒定的图像。然而，如上所述，由于温度引起的物理属性的变化而出现谐振频率的偏移，因此，需要控制器30和驱动信号输出单元31使光偏转器13的驱动频率按照这种方式跟随谐振频率的这种偏移。然而，当光偏转器13的驱动频率改变时，pd16检测在前向和后向路径上的激光光线的定时，即参考定时相对偏移。因此，如图11a所示，校正器36基于光偏转器13的改变的驱动频率，改变前向路径校正时间δt1和后向路径校正时间δt2中的至少一个。结果，可以进一步抑制前向与后向图像之间的偏移。

另外，pd16对校正时间的响应速度取决于pd16的温度而变化。同样在这种情况下，由于前向和后向路径上的参考定时相对偏移，校正器36基于温度传感器17检测的、并然后由温度获取器34获取的温度(pd16本身的温度或pd16周围的温度)，改变如图11b所示的前向路径校正时间δt1和后向路径校正时间δt2中的至少一个。结果，可以进一步抑制前向与后向图像之间的偏移。

此外，在校正时间中，pd16的响应速度或者pd16被照射的激光轮廓(profile)的强度分布或光束直径根据光源设备12发射的激光的光量而改变。同样在这种情况下，由于前向和后向路径的参考定时相对偏移，校正器36基于由光量传感器18检测的、并然后由光量获取器35获取的激光的光量，改变如图11c所示的前向路径校正时间δt1和后向路径校正时间δt2中的至少一个。结果，可以进一步抑制前向与后向图像之间的偏移。

注意，图11a至11c所示的校正时间的变化表示为分别相对于驱动频率、pd16的温度和激光的光量的线性变化。然而，在其中简单地呈现校正时间的变化的示例，并且校正时间的变化不限于此。根据光学扫描系统10的特性确定校正时间的变化是足够的。

前向和后向图像的校正动作

接下来，将参照图12描述通过光学扫描系统10校正前向与后向图像之间的偏移的动作。图12是示出光学扫描系统对于前向和后向图像的校正动作的示例的流程图。

在步骤s21中，输出电压获取器32获取根据从光源设备12发射的、然后由pd16接收的接收的激光的光量输出的输出电压。随后，参考定时检测器33基于由输出电压获取器32获取的pd16的输出电压检测在前向路径上的参考定时的时间t1和在后向路径上的参考定时的时间t2。

在步骤s22中，温度获取器34获取与温度传感器17检测的pd16的温度对应的物理量(诸如电流或电压)。在步骤s23中，光量获取器35获取对应于光量传感器18检测的、来自光源设备12的激光的光量的物理量(诸如电流或电压)。注意，如图12所示，步骤s22和s23中的处理可以并行执行。

在步骤s24中，校正器36基于环境改变获得校正时间(前向路径校正时间δt1和后向路径校正时间δt2)，所述环境改变即为光偏转器13的驱动频率、对应于温度获取器34获取的pd16的温度的物理量，以及对应于光量获取器35获取的来自光源设备12的激光的光量的物理量的改变中的至少一个。

注意，如图12所示，可以并行执行步骤s21的处理和步骤s22至s24的处理。

在步骤s25中，控制器30获取关于校正器36获得的校正时间的信息，并基于光学扫描信息和校正时间生成控制信号。驱动信号输出单元31根据输入控制信号向光源设备12输出驱动信号，使得在时间t1+δ1处绘制前向路径图像，并且在时间t2+δt2处绘制后向路径图像。

在步骤s26中，光源设备12根据从驱动信号输出单元31输出的驱动信号绘制前向和后向图像。

图像投影装置

接下来，将参考图13和14详细描述应用了本实施例的控制设备11的图像投影装置。图13是根据配备有平视显示装置500的汽车400的实施例的示意图，所述平视显示装置500是图像投影装置的一个示例。同时，图14是平视显示装置500的示例的示意图。

图像投影装置是通过光学扫描投影图像的装置，并且其示例是平视显示装置。如图13所示，平视显示装置500安装在例如汽车400的挡风玻璃401附近。从平视显示装置500发射的投影光l在挡风玻璃401上反射，朝向作为用户的观察者(驾驶员402)前进。

结果，驾驶员402可以将由平视显示装置500投影的图像等视觉上识别为虚拟图像。注意，可以采用这样的配置，其中组合器安装在挡风玻璃的内壁表面上，使得虚拟图像可以通过在组合器上反射的投影光被用户在视觉上识别。

如图14所示，在平视显示装置500中，激光从红色、绿色和蓝色激光光源501r、501g和501b发射。发射的激光光线穿过入射光学系统，然后在具有反射表面14的光偏转器上偏转，所述入射光学系统包括为各个激光光源提供的准直透镜502、503和504、两个二向色镜505和506，以及光量调节单元507。然后，偏转的激光光线穿过投影光学系统，并投影在屏幕上，所述投影光学系统包括自由曲面镜(free-formsurfacemirror)509、中间屏幕510和投影镜511。在上述平视显示装置500中，激光光源501r、501g和501b、准直透镜502、503和504以及二向色镜505和506由对应于图2中所示的光源设备12等的、作为光源单元530的光学壳体整合。

平视显示装置500将显示在中间屏幕510上的中间图像投影到汽车400的挡风玻璃401上，从而使得驾驶员402将该中间图像在视觉上识别为虚拟图像。从激光光源501r、501g和501b发射的相应颜色的激光光线分别由准直透镜502、503和504转换成基本准直的光，并由两个二向色镜505和506合成。在光量由光量调节单元507调节之后，由具有反射表面14的光偏转器13二维扫描合成的激光。由光偏转器13二维扫描的投影光l在自由曲面镜509上被反射以校正失真，然后被聚焦在中间屏幕510上以显示中间图像。中间屏幕510由微透镜阵列构成，其中微透镜被二维地布置，并且以微透镜为单位放大入射在中间屏幕510上的投影光l。另外，从光源单元530发射的激光光线由安装在中间屏幕510的端侧的pd16检测。

光偏转器13使反射表面14在两个轴向方向上来回移动并二维扫描入射在反射表面14上的投影光l。由光偏转器13进行的驱动控制与激光光源501r、501g和501b的光发射定时同步进行。

至此已经描述了作为图像投影装置的示例的平视显示装置500。然而，图像投影装置仅需要是通过利用具有反射表面14的光偏转器13执行光学扫描来投影图像的装置。例如，图像投影装置可以类似地应用于放置在桌子等上并在显示屏上投影图像的投影仪，以及应用于头戴式显示装置，所述头戴式显示装置配备在要装在观看者的头部等上的安装构件上，并将图像投影到安装构件的反射/透射屏幕或作为屏幕的眼球上。此外，图像投影装置不仅可以配备在车辆和安装构件上，还可以配备在诸如飞机、船舶和移动机器人的移动体上，或者配备在诸如用于操作被驱动对象(诸如操作器)而不移动其位置的工作机器人的非可移动体上。

封装

接下来，将参考图15描述由本实施例的控制设备11控制的光偏转器13的封装。图15是封装的光偏转器的示例的示意图。

如图15中所示，光偏转器13以这样的方式封装：光偏转器13附接到布置在封装构件802内部的附接构件801，并且封装构件的一部分被传送构件803覆盖，以被密闭地密封。此外，诸如氮气的惰性气体被密封在封装内。结果，抑制了由于氧化导致的光偏转器13的劣化，并且额外地提高了对诸如温度的环境改变的耐久性。

接下来，将详细描述上文已经提到的在图像投影装置等中使用的光学偏转系统、光学扫描系统10和光偏转器13，以及本实施例的控制设备11的控制。

光偏转器的细节

首先，将参照图16至18详细描述光偏转器13。图16是能够在两个轴向上进行光学偏转的悬臂型光偏转器的平面视图。图17是沿图16中的线p-p'截取的截面视图。图18是沿图16中的线q-q'截取的截面视图。

如图16所示，光偏转器13具有反射入射光的镜面部分101；第一驱动部分110a和110b，其连接到镜部分101并绕平行于y轴的第一轴驱动镜部分101；第一支撑部分120，其支撑镜部分101和第一驱动部分110a和110b；第二驱动部分130a和130b，其连接到第一支撑部分120并绕平行于x轴的第二轴驱动镜部分101和第一支撑部分120；第二支撑部分140，其支撑第二驱动部分130a和130b；电极连接部分150，其将第一驱动部分110a和110b以及第二驱动部分130a和130b电连接到控制设备11。

光偏转器13通过例如通过蚀刻处理等模制一个绝缘体上硅(soi)基板，并在模制的基板上形成反射表面14、第一压电驱动部分112a和112b、第二压电驱动部分131a至131f和132a至132f、电极连接部分150等，由此整体形成各个组成部分。注意，上述构成部分中的每一个可以在soi衬底的模制之后或在soi衬底的模制期间形成。

soi衬底是这样的衬底，其中硅氧化层162设置在由单晶硅(si)制成的第一硅层的顶部上，并且在该硅氧化层162的顶部上还设置有由单晶硅制成的第二硅层。在下文中，第一硅层被称为硅支撑层161，第二硅层被称为硅有源层163。

由于硅有源层163在z轴方向上的厚度相对于x轴方向或y轴方向较小，因此仅由硅有源层163构成的构件包括作为具有弹性的弹性部分的功能。

顺便提及，soi衬底不一定需要是平面形状，并且例如可以具有曲率。另外，用于形成光偏转器13的构件不限于soi基板，只要其为可以通过蚀刻处理等整体模制的并且可以部分地具有弹性的基板。

镜部分101包括，例如，具有圆形形状的镜部分基体102和形成在镜部分基体102的+z侧表面上的反射表面14。镜部分基体102由例如硅有源层163构成。反射表面14由包含例如铝、金或银的金属薄膜制成。在镜部分101中，用于加强镜部分的挡边(rib)可以形成在镜部分基体102的-z侧表面上。挡边由例如硅支撑层161和硅氧化层162构成，并且可以抑制由旋转引起的反射表面14的变形。

第一驱动部分110a和110b分别包括两个扭杆111a和111b以及第一压电驱动部分112a和112b。扭杆111a和111b中的每个的一端连接到镜部分基体102，并且每个扭杆沿第一轴向延伸并可旋转地支撑镜面部分101。第一压电驱动部分112a和112b中的每个的一端分别连接到扭杆111a和111b中的每个，并且其另一端连接到第一支撑部分120的内圆周部分。

如图17所示，扭杆111a和111b由硅有源层163构成。另外，第一压电驱动部分112a和112b通过在作为弹性部分的硅有源层163的+z侧表面上顺序地形成下电极201、压电部分202和上电极203而配置。上电极203和下电极201由例如金(au)或铂(pt)制成。压电部分202由例如作为压电材料的锆钛酸铅(pzt)制成。

返回图16，第一支撑部分120例如是由硅支撑层161、硅氧化层162和硅有源层163构成的矩形支撑体，并且形成以包围镜部分101。

例如，第二驱动部分130a和130b分别由彼此耦接以便向后折叠的多个第二压电驱动部分131a至131f和132a至132f构成，并且第二驱动部分130a和130b中的每个的一端连接到第一支撑部分120的外圆周部分，以及其另一端连接到第二支撑部分140的内圆周部分。此时，第二驱动部分130a与第一支撑部分120之间的连接部分和第二驱动部分130b与第一支撑部分120之间的连接部分，以及额外地，第二驱动部分130a与第二支撑部分140之间的连接部分和第二驱动部分130b与第二支撑部分140之间的连接部分相对于反射表面14的中心点是对称的。

如图18所示，第二驱动部分130a和130b通过在作为弹性部分的硅有源层163的+z侧表面上顺序地形成下电极201、压电部分202和上电极203而配置。上电极203和下电极201由例如金(au)或铂(pt)制成。压电部分202由例如作为压电材料的锆钛酸铅(pzt)制成。

返回图16，第二支撑部分140例如是由硅支撑层161、硅氧化层162和硅有源层163构成的矩形支撑体，并且被形成以便包围镜面部分101、第一驱动部分110a和110b、第一支撑部分120和第二驱动部分130a和130b。

例如，电极连接部分150形成在第二支撑部分140的+z侧表面上并且经由由铝(al)等制成的电极布线电连接到第一压电驱动部分112a和112b以及第二压电驱动部分131a至131f和132a至132f以及控制设备11的各自的上电极203和各自的下电极201。注意，上电极203和下电极201中的每个可以直接连接到电极连接部分150，或者可以通过例如将电极彼此连接而间接地连接到电极连接部分150。

另外，在本实施例中，已经描述了压电部分202仅形成在作为弹性部分的硅有源层163的一个表面(+z侧表面)上的情况作为示例，但是压电部分202可以设置在弹性部分的另一个表面(例如，-z侧表面)上或者设置在弹性部分的一个表面和另一个表面上。

同时，只要镜面部分101可绕第一轴或绕第二轴被旋转驱动，每个构成部分的形状不限于根据实施例的形状。例如，扭杆111a和111b以及第一压电驱动部分112a和112b可以是具有带曲率的形状。

此外，由硅氧化膜制成的绝缘层可以形成在第一驱动部分110a和110b中的每个的上电极203的+z侧表面、第一支撑部分120的+z侧表面、第二驱动部分130a和130b中的每个的上电极203的+z侧表面，以及第二支撑部分140的+z侧表面中的至少一个上。此时，当电极布线设置在绝缘层上时并且绝缘层作为开口被部分地去除，或者绝缘层没有形成在上电极203或下电极201与电极布线连接的连接点中，可以增加设计第一驱动部分110a和110b、第二驱动部分130a和130b和电极布线的自由度，以及额外地抑制由于电极之间的接触引起的短路。注意，绝缘层仅需要是具有绝缘性质的构件，并且可以包括作为抗反射材料的功能。

控制设备控制的细节

接下来，将详细描述控制设备11的控制，该控制设备11驱动光偏转器13的第一驱动部分110a和110b以及第二驱动部分130a和130b。

当在偏振方向上施加正电压或负电压时，各自包括在第一驱动部分110a和110b和第二驱动部分130a和130b中的压电部分202与施加的电压的电势成比例变形(例如，膨胀或收缩)，由此产生所谓的逆压电效应。第一驱动部分110a和110b以及第二驱动部分130a和130b通过利用上述逆压电效应旋转地驱动镜部分101。

此时，入射在镜部分101的反射表面14上的光束被偏转的角度被称为偏转角。将电压不施加到压电部分202时的偏转角设定为零，并且将偏转的角度大于该角的情况定义为正偏转角，而偏转的角度小于该角的情况定义为负偏转角。

首先，将描述控制设备11用来驱动第一驱动部分110a和110b的控制。在第一驱动部分110a和110b中，当驱动电压经由上电极203和下电极201与包括在第一压电驱动部分112a和112b中的压电部分202并联地施加时，各自的压电部分202变形。由于压电部分202的这种变形的作用，第一压电驱动部分112a和112b弯曲和变形。结果，绕第一轴的旋转驱动力经由两个扭杆111a和111b的扭转作用在镜部分101上，并因此，镜部分101绕第一轴旋转。施加到第一驱动部分110a和110b的驱动电压由控制设备11控制。

因此，当由控制设备11与包括在第一驱动部分110a和110b中的第一压电驱动部分112a和112b并联地施加预定正弦波形的驱动电压时，镜部分101可在预定正弦波形的驱动电压的周期处绕第一轴旋转。

特别地，当正弦波形电压的频率被设定为约20khz时，其与扭杆111a和111b的谐振频率大致相同时，由于扭杆111a和111b的扭曲引起的机械谐振发生，并且通过利用此，镜部分101可以以大约20khz的频率谐振。

接下来，将参考图19和20描述控制设备11用来驱动第二驱动部分130a和130b的控制。

图19是示意性地表示光偏转器13的第二驱动部分130a或130b的驱动的示意图。由阴影表示的区域是镜面部分101等。

在包括在第二驱动部分130a中的多个第二压电驱动部分131a至131f之中，从最靠近镜部分101的第二压电驱动部分(131a)起计数的偶数的第二压电驱动部分，即第二压电驱动部分131b、131d和131f，被定义为压电驱动部分组a。另外，在包括在第二驱动部分130b中的多个第二压电驱动部分132a至132f之中，从最靠近镜面部分101的第二压电驱动部分(132a)起计数的奇数的第二压电驱动部分，即第二压电驱动部分132a、132c和132e，同样被定义为压电驱动部分组a。当与压电驱动部分组a并联地施加驱动电压时，压电驱动部分组a在图19(a)所示的相同方向上弯曲和变形，并且镜部分101绕第二轴旋转，从而获得正偏转角。

同时，在包括在第二驱动部分130a中的多个第二压电驱动部分131a至131f之中，从最靠近镜部分101的第二压电驱动部分(131a)起计数的奇数的第二压电驱动部分，即第二压电驱动部分131a、131c和131e，被定义为压电驱动部分组b。另外，在包括在第二驱动部分130b中的多个第二压电驱动部分132a至132f之中，从最靠近镜面部分101的第二压电驱动部分(132a)起计数的偶数的第二压电驱动部分，即第二压电驱动部分132b、132d和132f，同样被定义为压电驱动部分组b。当与压电驱动部分组b并联地施加驱动电压时，压电驱动部分组b在图19(c)所示的相同方向上弯曲和变形，并且镜部分101绕第二轴旋转，从而获得负偏转角。

在第二驱动部分130a或第二驱动部分130b中，通过弯曲和变形包括在压电驱动部分组a中的多个压电部分202或包括在压电驱动部分组b中的多个压电部分202，如图19的(a)和(c)所示，可以累积由弯曲变形引起的旋转量，并增加镜部分101绕第二轴的偏转角。

例如，如图16所示，第二驱动部分130a和130b相对于第一支撑部分120的中心点点对称地连接到第一支撑部分120。因此，当驱动电压施加到压电驱动部分组a时，在第二驱动部分130a中生成用于使第一支撑部分120与第二驱动部分130a之间的连接部分沿+z方向移动的驱动力，同时在第二驱动部分130b中生成用于使第一支撑部分120与第二驱动部分130b之间的连接部分沿-z方向移动的驱动力，由此累积可移动量，使得可以增加镜部分101绕第二轴的偏转角。

另外，如图19的(b)所示，当没有施加电压时，或当由压电驱动部分组a因电压施加引起的镜面部分101的旋转力与由压电驱动部分组b因电压施加引起的镜面部分101的旋转力平衡时，偏转角变为零。

通过将驱动电压施加到第二压电驱动部分131a至131f和132a至132f，使得连续重复图19的(a)到(c)，镜部分101可以绕第二轴旋转。

驱动电压

施加到第二驱动部分130a和130b的驱动电压由控制设备11控制。将参考图20描述施加到压电驱动部分组a的驱动电压(下文中称为驱动电压a)和施加到压电驱动部分组b的驱动电压(下文中，称为驱动电压b)。

在图20中，(a)是施加到光偏转器的压电驱动部分组a的驱动电压a的波形的示例。(b)是施加到光偏转器的压电驱动部分组b的驱动电压b的波形的示例。(c)是叠加驱动电压a的波形和驱动电压b的波形的图。

如图20(a)所示，施加到压电驱动部分组a的驱动电压a的波形例如是锯齿波形，并且其频率例如是60hz。另外，当电压值从最小值增加到下一个最大值的上升时段的时间宽度被定义为tra，以及电压值从最大值减小到下一个最小值的下降时段的时间宽度被定义为tfa时，例如，对于驱动电压a的波形预先设定tra:tfa＝9:1的比率。此时，tra与一个周期的比率称为驱动电压a的对称性。

如图20的(b)所示，施加到压电驱动部分组b的驱动电压b的波形例如是锯齿波形，并且其频率例如是60hz。另外，当电压值从最小值增加到下一个最大值的上升时段的时间宽度被定义为trb以及电压值从最大值减小到下一个最小值的下降时段的时间宽度被定义为tfb，例如，对于驱动电压b的波形预先设置tfb:trb＝9:1的比率。此时，tfb与一个周期的比率称为驱动电压b的对称性。

同时，例如，驱动电压a的波形的周期ta和驱动电压b的波形的周期tb被设置为与图20的(c)中所示的相同。

注意，通过例如叠加正弦波来生成上述驱动电压a和驱动电压b的上述锯齿波形。另外，在本实施例中，使用具有锯齿波形的驱动电压作为驱动电压a和b。然而，驱动电压不限于此，并且还可以根据光偏转器13的设备特性改变波形，例如，具有通过对锯齿波的峰值进行舍入(rounding)而获得的波形的驱动电压，或具有通过将锯齿波形的线性区域形成为曲线而获得的波形的驱动电压。在这种情况下，对称性对应于上升时间与一个周期的比率或下降时间与一个周期的比率。此时，可以任意设定上升时间和下降时间中的哪个作为参考。

变形例

在上述实施例中，光偏转器13使用悬臂型光偏转器13，其中第一压电驱动部分112a和112b从扭杆111a和111b沿+x方向延伸，如图16所示。然而，光偏转器13不限于此，只要采用其中反射表面14被施加电压的压电部分202旋转的配置即可。例如，如图21所示，可以使用双支撑型光偏转器，其具有从扭杆211a和211b沿+x方向延伸的第一压电驱动部分212a和212b以及从所述扭杆211a和211b沿-x方向延伸的第一压电驱动部分212c和212d。

尽管到目前为止已经描述了本发明的实施例及其变形例，但是上述实施例及其变形例仅仅指示了本发明的应用示例。本发明不限于上述实施例及其变形例，并且可以通过在实现阶段中进行各种变形和改变而实现，而不脱离其主旨。例如，在上述实施例及其变形例中，控制设备11总是将具有正电压值的波形的驱动电压施加到压电部202。然而，控制设备11不限于此，只要采用当驱动电压施加到压电部分202时引起压电部分202的变形的配置即可。作为示例，控制设备11可以总是将具有负电压值的波形的驱动电压施加到压电部分202，或者可选地，可以交替地施加正电压值和负电压值。

另外，在上述实施例和变型中，当通过执行程序实现控制设备11的至少一个功能部分时，通过预先将程序包含在rom等中来提供程序。由根据上述实施例和变形例的控制设备11执行的程序可以被配置为通过被记录在计算机可读记录介质(诸如光盘只读存储器(cd-rom)、软盘(fd)、可记录光盘(cd-r)或数字通用盘(dvd))中来提供，作为可安装格式或可执行格式的文件。由根据上述实施例和变形例的控制设备11执行的程序可以被配置为保存并保持在连接到诸如因特网的网络的计算机上，并且通过经由网络下载来提供。由根据上述实施例和变形例的控制设备11执行的程序可以被配置为经由诸如因特网的网络提供或分发。另外，由根据上述实施例和变形例的控制设备11执行的程序具有包括至少一个上述功能部分的模块配置，并且作为实际硬件，cpu20从上述储存装置(例如，rom22)读取程序来执行，由此将上述功能部分中的每个被加载到主储存装置(例如，ram21)上，并生成上述功能部分中的每个。

附图标记列表

10光学扫描系统

11控制设备

12光源设备

13光偏转器

14反射表面

15待扫描表面

16光电二极管(pd)

16a第一光接收表面

16b第二光接收表面

17温度传感器

18光量传感器

20cpu

21ram

22rom

23fpga

24外部i/f

25光源设备驱动器

26光偏转驱动器

27第一传感器i/f

28第二传感器i/f

29第三传感器i/f

30控制器

31驱动信号输出单元

32输出电压获取器

33参考定时检测器

34温度获取器

35光量获取器

36校正器

50扫描区域

50a绘图区域

50b非绘图区域

51光接收图像

101镜部分

102镜部分基体

110a、110b第一驱动部分

111a、111b扭杆

112a、112b第一压电驱动部分

120第一支撑部分

130a、130b第二驱动部分

131a至131f第二压电驱动部分

132a至132f第二压电驱动部分

140第二支撑部分

150电极连接部分

161硅支撑层

162硅氧化层

163硅有源层

201下电极

202压电部分

203上电极

211a、211b扭杆

212a至212d第一压电驱动部分

400汽车

401挡风玻璃

402驾驶员

500平视显示装置

501r、501g、501b激光光源

502至504准直透镜

505、506二向色镜

507光量调节单元

509自由曲面镜

510中间屏幕

511投影镜

530光源单元

801附接构件

802封装构件

803传送构件

专利文献

专利1

日本未审查专利申请公开号no.2010-79198