光走査装置、および共振周波数設定方法
【課題】走査ミラーの共振周波数を短時間で容易に計測して駆動周波数を設定することができる光走査装置、および共振周波数設定方法を提供する。
【解決手段】ヘッドマウントディスプレイは、起動時点において設定された起動用共振周波数を駆動周波数として、垂直走査駆動部による垂直走査ミラーの揺動動作を起動する（Ｓ２）。次いで、垂直走査ミラーの駆動周波数を線形領域へ向けて一方向に順次変化させていく（Ｓ３）。垂直走査ミラーの振れ角が増加から減少へ変化すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、駆動周波数の増減方向を切り替える（Ｓ１１）。ヘッドマウントディスプレイは、垂直走査ミラーの振れ角が最大となる駆動周波数を、垂直走査ミラーの共振周波数として計測する（Ｓ１３：ＹＥＳ、Ｓ２１）。計測した共振周波数を、その後の垂直走査ミラーの駆動周波数に設定する（Ｓ２２）。
【解決手段】ヘッドマウントディスプレイは、起動時点において設定された起動用共振周波数を駆動周波数として、垂直走査駆動部による垂直走査ミラーの揺動動作を起動する（Ｓ２）。次いで、垂直走査ミラーの駆動周波数を線形領域へ向けて一方向に順次変化させていく（Ｓ３）。垂直走査ミラーの振れ角が増加から減少へ変化すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、駆動周波数の増減方向を切り替える（Ｓ１１）。ヘッドマウントディスプレイは、垂直走査ミラーの振れ角が最大となる駆動周波数を、垂直走査ミラーの共振周波数として計測する（Ｓ１３：ＹＥＳ、Ｓ２１）。計測した共振周波数を、その後の垂直走査ミラーの駆動周波数に設定する（Ｓ２２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査ミラーの共振周波数を計測し、計測した共振周波数に応じて走査ミラーを駆動する光走査装置、および共振周波数設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、走査ミラーを駆動（揺動）させてレーザ光を走査することで、被走査面に画像を形成する光走査装置が知られている。走査ミラーを安定して効率よく共振揺動させるためには、走査ミラーを駆動させるための駆動信号の周波数（以下、「駆動周波数」という。）を、走査ミラーの共振周波数に応じて設定することが必要である。例えば、特許文献１が開示している光走査装置は、駆動周波数と振幅とを共振周波数に応じて設定することで、省エネルギー化を図っている。
【０００３】
同一の走査ミラーを用いる場合であっても、走査ミラーの共振周波数は、温度等の使用環境に伴って変動する。従って、走査ミラーを駆動させる場合、その時点における走査ミラーの共振周波数を計測し、計測した共振周波数に応じて駆動信号を制御することが望ましい。
【０００４】
従来の共振周波数の計測方法について説明する。まず、走査ミラーの駆動周波数と振れ角との間の特性について述べる。駆動周波数を変化させながら走査ミラーを駆動すると、跳躍現象および履歴現象（ヒステリシス）が生じる。跳躍現象とは、駆動周波数を変化させた場合に、走査ミラーの振れ角が急激に増減する現象である。履歴現象とは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合と徐々に下降させる場合とで、跳躍現象が生じる周波数（以下、「跳躍周波数」という。）に差が生じる現象である。
【０００５】
走査ミラーが所謂メタルＭＥＭＳ（詳細は後述する）である場合を例示する。走査ミラーがメタルＭＥＭＳであれば、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂよりも低い。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させながら振れ角を計測し、振れ角が最大となる駆動周波数を検出することで計測される。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａと、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂとの間の非線形領域内に存在する。従って、跳躍周波数Ｂから駆動周波数を徐々に下げながら計測を行えばよい。しかし、前述したように、共振周波数は温度等の使用環境に伴って変動する。よって、従来の光走査装置は、まず跳躍周波数Ｂを計測する。次いで、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮し、計測した跳躍周波数Ｂよりも高い周波数を、起動時の駆動周波数に設定する。起動時の駆動周波数から徐々に駆動周波数を下降させて、振れ角が最大となる駆動周波数を共振周波数として計測する。また、所謂シリコンＭＥＭＳ（詳細は後述する）等を用いる場合でも、周波数の大小関係がメタルＭＥＭＳの場合と逆になる以外は、上記の特性に変わりはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０８４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の方法では、使用環境の変化や耐久性劣化による共振周波数の変動を考慮して、前記起動時の駆動周波数をかなり高めに設定する必要があるため、広い範囲で共振周波数を探索しなければならなかった。そのために、共振周波数の計測を開始する前に、跳躍周波数Ｂをあらかじめ計測しておかなければならなかった。従って、共振周波数を計測して駆動周波数を設定するために、多くの処理量および長い処理時間を要するという問題点があった。
【０００８】
本発明は、走査ミラーの共振周波数を短時間で容易に計測して駆動周波数を設定することができる光走査装置、および共振周波数設定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の態様に係る光走査装置は、揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域とが現れる光走査装置であって、前記駆動制御手段は、起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動手段と、前記起動手段によって前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて一方向に順次変化させる第一周波数変化手段と、前記第一周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化手段によって変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化手段と、前記第二周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定手段とを備えている。
【００１０】
第一の態様に係る光走査装置は、予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として、走査ミラーの駆動手段を起動する。次いで、走査ミラーの駆動周波数を線形領域に向けて一方向に順次変化させていき、振れ角の増減の変曲点に達したら、変化させていた方向と逆の方向に駆動周波数を順次変化させていく。その後、光走査装置は、駆動周波数を変化させている間に振れ角が最大となる駆動周波数を、走査ミラーの共振周波数として計測し、計測した共振周波数を駆動周波数とする。従って、光走査装置は、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮して広い範囲で共振周波数を探索する必要はない。さらに、光走査装置は、跳躍現象が生じる周波数をあらかじめ計測しておく必要がない。よって、光走査装置は、走査ミラーの共振周波数を短時間で容易に計測し、計測した共振周波数をその後の駆動周波数とすることができる。
【００１１】
前記光走査装置は、前記走査ミラーを支持する捻れ梁部と、前記捻れ梁部を支持する基板とをさらに備えてもよい。前記駆動手段は、前記基板に設けられ、電圧の印加によって振動することで前記基板に板波を誘起して前記ミラー部を揺動させる振動体であってもよい。この場合、前記第一周波数変化手段は駆動周波数を順次増加させ、前記第二周波数変化手段は駆動周波数を順次減少させるのが望ましい。上記の条件では、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂよりも低くなる。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させた場合における跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間に存在する。従って、光走査装置は、駆動周波数を増加させた後に減少させることによって、走査ミラーの特性に応じた適切な方法で共振周波数を計測することができる。
【００１２】
前記駆動制御手段は、前記走査ミラーの温度を取得する温度取得手段と、前記走査ミラーの温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータと、前記温度取得手段によって取得された前記走査ミラーの温度と、前記計測手段によって前回計測された共振周波数とを用いて、前記起動用共振周波数を算出して設定する算出手段とをさらに備えてもよい。前記起動手段は、前記算出手段によって設定された前記起動用共振周波数で前記駆動手段を起動してもよい。この場合、光走査装置は、温度変化および経時変化の影響を受けて共振周波数が変化した場合でも、最適な駆動周波数から計測処理を開始することができる。共振周波数の計測に失敗する可能性も低い。
【００１３】
前記第二周波数変化手段は、駆動周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくしてもよい。共振周波数の近傍の非線形領域内では、駆動周波数が共振周波数に近くなる程、走査ミラーの振れ角の増加割合は小さくなる。従って、光走査装置は、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることで、共振周波数をより正確に計測し、最適な駆動周波数を設定することができる。
【００１４】
前記第一周波数変化手段は、周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくしてもよい。第一周波数変化手段によって周波数を変化させながら、走査ミラーの振れ角が増加から減少へ変化することを検出する場合、増加から減少への変化が生じる前に跳躍現象が生じる。従って、駆動周波数を変化させる毎に振れ角の増加割合は大きくなる。よって、第一周波数変化手段は、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることで、振れ角の増加から減少への変化を正確に把握することができる。
【００１５】
前記駆動制御手段は、前記共振周波数設定手段によって共振周波数が駆動周波数に設定された場合に、前記駆動信号の振幅を制御して前記走査ミラーの振れ角を所定条件に応じて調整する振幅調整手段をさらに備えてもよい。光走査装置は、走査ミラーの共振周波数に応じて最適な駆動周波数で走査ミラーを駆動しつつ、走査ミラーの振れ角を調整することができる。従って、光走査装置は、共振周波数に応じて的確に走査ミラーを駆動することができる。
【００１６】
本発明の第二の態様に係る共振周波数設定方法は、揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域とが現れる光走査装置の前記駆動制御手段によって実行される共振周波数設定方法であって、起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動ステップと、前記起動ステップにおいて前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて順次変化させる第一周波数変化ステップと、前記第一周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化ステップにおいて変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化ステップと、前記第二周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定ステップとを備えている。
【００１７】
第二の態様に係る共振周波数設定方法によると、光走査装置は、予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として、走査ミラーの駆動手段を起動する。次いで、走査ミラーの駆動周波数を線形領域に向けて一方向に順次変化させていき、振れ角の増減の変曲点に達したら、変化させていた方向と逆の方向に駆動周波数を順次変化させていく。その後、光走査装置は、駆動周波数を変化させている間に振れ角が最大となる駆動周波数を、走査ミラーの共振周波数として計測し、計測した共振周波数を駆動周波数とする。従って、光走査装置は、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮して広い範囲で共振周波数を探索する必要はない。さらに、光走査装置は、跳躍現象が生じる周波数をあらかじめ計測しておく必要がない。よって、光走査装置は、走査ミラーの共振周波数を短時間で容易に計測し、計測した共振周波数をその後の駆動周波数とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ヘッドマウントディスプレイ１の外観構成を示す図である。
【図２】ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】表示部１０が画像光５を射出する過程を説明する説明図である。
【図４】垂直走査系２０の斜視図である。
【図５】垂直走査ミラー２１にメタルＭＥＭＳを用いた場合の駆動周波数と振れ角との関係を示すグラフである。
【図６】ＣＰＵ１１１が実行する駆動処理のフローチャートである。
【図７】駆動処理中に実行される開始周波数算出処理のフローチャートである。
【図８】フラッシュメモリ５４に記憶される変化量パラメータテーブルの説明図である。
【図９】フラッシュメモリ５４に記憶される前回停止直前データの説明図である。
【図１０】駆動周波数の上昇量および下降量と振れ角の増加量との関係を示す説明図である。
【図１１】ＲＯＭ１１２に記憶されている上昇量決定テーブルの説明図である。
【図１２】ＲＯＭ１１２に記憶されている下降量決定テーブルの説明図である。
【図１３】駆動処理中に実行される駆動中処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成、各種処理のフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００２０】
以下では、光走査装置の１つであるヘッドマウントディスプレイ１を例に挙げて説明を行う。ヘッドマウントディスプレイ１は、画像信号に応じて変調されたレーザ光を走査させて、画像光として射出し、ユーザの少なくとも一方の眼の網膜に画像を直接投影する網膜走査型ディスプレイである。しかし、本発明が適用できるのはヘッドマウントディスプレイ１に限られない。画像を表示するためのレーザ光を走査する光走査装置であれば、本発明は適用できる。例えば、走査したレーザ光を、投影対象となるスクリーン上に射出して投影するスクリーン走査型の画像表示装置にも、本発明は適用できる。
【００２１】
図１を参照して、ヘッドマウントディスプレイ１の概略構成について説明する。ヘッドマウントディスプレイ１は、射出装置２と、接眼部３と、頭部装着部４とを少なくとも備える。射出装置２は、画像信号に応じて画像光５（図３参照）を接眼部３へ射出する。射出装置２に対する接眼部３の位置は固定されている。接眼部３は、ハーフミラー３８（図３参照）を備えている。接眼部３は、ハーフミラー３８によって、外界からの外光６を透過し、且つ、射出装置２から射出された画像光５をユーザの眼に向かって反射させる。つまり、接眼部３は、ユーザの側方から入射した画像光５と、外界から入射した外光６とを、共にユーザの眼に入射させる。その結果、ユーザは、実際の視界に加えて、射出装置２から射出された画像光に基づく画像を視認することができる。
【００２２】
図２を参照して、ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成について説明する。ヘッドマウントディスプレイ１は、表示部１０、入力部４０、通信部４３、制御部５０、ビデオＲＡＭ５３、フラッシュメモリ５４、および電源部５５を備える。
【００２３】
表示部１０は、ユーザに画像を視認させる部位である。表示部１０は、駆動信号コントローラ１１、レーザ群１３、およびレーザドライバ群１２を備える。駆動信号コントローラ１１は、ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、およびＲＡＭ１１３を備える。駆動信号コントローラ１１では、ＲＯＭ１１２に格納されたプログラムがＣＰＵ１１１によって読み出されることで、表示部１０を駆動するための各種処理が行われる。具体的には、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から画像信号を入力し、入力した信号に応じて、レーザドライバ群１２に駆動信号（輝度信号）を出力する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、後述する垂直走査ミラー２１および水平走査ミラー２６を揺動させるための条件（例えば、垂直走査ミラー２１の駆動周波数および振れ角）を決定し、垂直走査駆動部２３および水平走査駆動部２８に駆動信号を出力する（詳細は後述する）。レーザ群１３は、青色出力レーザ（Ｂレーザ）１３１、緑色出力レーザ（Ｇレーザ）１３２、および赤色出力レーザ（Ｒレーザ）１３３を含む。レーザ群１３は、青色、緑色、および赤色のレーザ光を出力する。レーザドライバ群１２は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じてレーザ群１３を制御し、レーザ群１３にレーザ光を出力させる。つまり、制御部５０がヘッドマウントディスプレイ１の全体制御を司り、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から入力する画像信号に応じて画像表示の処理を制御する。
【００２４】
表示部１０は、垂直走査ミラー２１、垂直走査駆動部２３、水平走査ミラー２６、および水平走査駆動部２８を備える。垂直走査ミラー２１は、揺動軸周りに揺動することで、レーザ群１３から出力されたレーザ光を垂直方向（本実施の形態の主走査方向）に走査する。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、垂直走査ミラー２１を高速で共振揺動させる。水平走査ミラー２６は、垂直走査ミラー２１によって垂直方向に二次元走査されたレーザ光を、さらに水平方向（本実施の形態の副走査方向）に走査する。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、水平走査ミラー２６を低速揺動させる。
【００２５】
表示部１０は、ＢＤ（ビームディテクト）センサ３１、およびＢＤ信号検出回路３２を備える。ＢＤセンサ３１は、垂直走査ミラー２１によって反射されたレーザ光（主走査方向に走査されたレーザ光）を検出する。つまり、ＢＤセンサ３１は、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出するために設けられている。ＢＤ信号検出回路３２は、レーザ光が所定の位置に到達したことがＢＤセンサ３１によって検出された場合に、ＢＤ信号を駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、垂直走査ミラー２１の走査角の最大値である振れ角を検出する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、レーザ群１３からレーザ光を出力するタイミングを決定する。
【００２６】
表示部１０は、温度センサ３３を備える。温度センサ３３は、垂直走査ミラー２１の周囲の温度を検出し、検出した温度を駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、垂直走査ミラー２１の起動時の駆動周波数である起動用共振周波数を、温度センサ３３から入力した温度に基づいて決定する。
【００２７】
入力部４０は、ユーザからの各種操作指示の入力を受け付ける部位である。入力部４０は、操作ボタン群４１および入力制御回路４２を備える。入力制御回路４２は、操作ボタン群４１のボタンが操作されたことを検出する。入力制御回路４２は、制御部５０と電気的に接続されており、ボタン操作に関する情報を制御部５０に出力する。
【００２８】
通信部４３は、画像情報等の送受信を行う部位である。通信部４３は、通信モジュール４４および通信制御回路４５を備える。通信モジュール４４は、外部機器との間の無線通信または有線通信によって、画像情報等の送受信を行う。通信制御回路４５は、通信モジュール４４の動作を制御する。通信制御回路４５は、制御部５０と電気的に接続されており、制御部５０に画像情報を取得させる。
【００２９】
制御部５０は、ヘッドマウントディスプレイ１の全体の制御を司る。制御部５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭを備える。制御部５０では、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵによって読み出されることで、ヘッドマウントディスプレイ１の動作を制御するための各種処理が行われる。ビデオＲＡＭ５３には、画像情報に含まれるイメージデータが展開される。フラッシュメモリ５４は、ヘッドマウントディスプレイ１で使用される機能の各種設定値等を記憶する。
【００３０】
電源部５５は、電池５６および充電制御回路５７を備える。電池５６は、ヘッドマウントディスプレイ１を駆動させるための電源となる充電式の電池である。充電制御回路５７は、電池５６からヘッドマウントディスプレイ１への電力供給の制御、および充電用アダプタ（図示せず）から電池５６への充電の制御を行う。
【００３１】
図３を参照して、表示部１０が画像光５を射出する過程の概要について説明する。表示部１０は、光源ユニット部１８、コリメート光学系１９、垂直走査系２０、第一リレー光学系２４、水平走査系２５、および第二リレー光学系２９を備える。
【００３２】
光源ユニット部１８は、駆動信号コントローラ１１、レーザドライバ群１２、レーザ群１３、コリメート光学系１４、ダイクロイックミラー群１５、結合光学系１６、およびＢＤ信号検出回路３２を備える。駆動信号コントローラ１１は、例えば、制御部５０によってビデオＲＡＭ５３に展開されたイメージデータの画像信号を、表示すべき画像を構成する画素毎に読み出して、駆動信号である輝度信号３５を生成すると共に、垂直駆動信号３６、および水平駆動信号３７を生成する。駆動信号コントローラ１１は、生成した輝度信号３５（Ｂ輝度信号３５１、Ｇ輝度信号３５２、およびＲ輝度信号３５３）をレーザドライバ群１２（Ｂレーザドライバ１２１、Ｇレーザドライバ１２２、およびＲレーザドライバ１２３）に出力する。さらに、垂直駆動信号３６を垂直走査駆動部２３に出力し、水平駆動信号３７を水平走査駆動部２８に出力する。ただし、駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号検出回路３２からＢＤ信号が入力されたタイミング（レーザ光が所定の位置に到達したタイミング）に基づいて、前記垂直駆動信号３６および水平駆動信号３７を制御すると共に、輝度信号３５をレーザドライバ群１２に出力するタイミングを決めている。
【００３３】
レーザドライバ群１２は、入力された輝度信号３５に基づいて、強度変調されたレーザ光をレーザ群１３に出力させる。レーザ群１３が出力したレーザ光は、コリメート光学系１４に入射する。コリメート光学系１４の３つのコリメートレンズ１４１〜１４３は、レーザ群１３が出力した３色（青色、緑色、赤色）のレーザ光のそれぞれを平行光にコリメートする。コリメート光学系１４によってコリメートされたレーザ光は、ダイクロイックミラー群１５に入射する。ダイクロイックミラー群１５の３つのダイクロイックミラー１５１〜１５３は、コリメートされた３色のレーザ光を１つのレーザ光になるように合波する。合波されたレーザ光は、結合光学系１６によって光ファイバ１７に導かれる。
【００３４】
光ファイバ１７を伝達したレーザ光は、コリメート光学系１９によって平行光にコリメートされて、垂直走査系２０に入射する。本実施の形態の垂直走査系２０は、表示すべき画像の１走査線ごとに、レーザ光を垂直方向（主走査方向）に走査する。垂直走査系２０は、水平走査系２５よりも高速に（すなわち、高周波数で）レーザ光を走査するように設計されている。垂直走査系２０に入射したレーザ光は、垂直走査ミラー２１の偏向面２２に照射される。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から入力された垂直駆動信号３６に従って、垂直走査ミラー２１を共振揺動させる。その結果、偏向面２２に照射されたレーザ光は、垂直方向に高速で走査される。前述したように、ＢＤセンサ３１は、垂直走査ミラー２１によって垂直走査されたレーザ光を検出することで、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出する。
【００３５】
垂直走査されたレーザ光は、第一リレー光学系２４を介して水平走査系２５に入射する。本実施の形態の水平走査系２５は、表示すべき画像の１フレーム毎に、レーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かう水平方向（副走査方向）に走査する。水平走査系２５に入射したレーザ光は、水平走査ミラー２６の偏向面２７に照射される。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から入力された水平駆動信号３７に従って、水平走査ミラー２６を揺動させる。その結果、偏向面２７に照射されたレーザ光は、水平方向に走査される。
【００３６】
垂直走査系２０および水平走査系２５によって二次元走査されたレーザ光のうち、画像を表示させるためのレーザ光である画像光５は、第二リレー光学系２９を介してハーフミラー３８に射出される。画像光５は、ハーフミラー３８によって全反射されてユーザの瞳孔３９に導かれる。その結果、ビデオＲＡＭ５３（図２参照）に展開されたイメージデータに基づく画像が、ユーザの網膜上に形成される。ユーザは、二次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光による画像を視認することができる。
【００３７】
以上説明したように、ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１を高速で共振揺動させ、且つ水平走査ミラー２６を垂直走査ミラー２１よりも低速で揺動させることで、レーザ光を二次元走査させる。垂直走査ミラー２１を効率よく共振揺動させるためには、垂直走査ミラー２１を駆動させるための駆動周波数を、垂直走査ミラー２１の共振周波数に近い値に設定する必要がある。垂直走査ミラー２１を共振周波数に近い駆動周波数で駆動させて共振状態とすることで、駆動エネルギーが垂直走査ミラー２１に対してロスなく出入りする。ここで、垂直走査ミラー２１の共振周波数は、垂直走査ミラー２１の温度、経時変化等の影響で変動する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、その時点における垂直走査ミラー２１の共振周波数を計測し、計測した共振周波数を駆動周波数に設定することが望ましい。
【００３８】
図４を参照して、本実施の形態に係る垂直走査系２０の種類について説明する。本実施の形態の垂直走査ミラー２１は、所謂メタルＭＥＭＳである（例えば、特開２００６−２９３１１６号公報参照）。図４に示すように、垂直走査系２０は、基板６３、垂直走査ミラー２１、捻れ梁部６４、および垂直走査駆動部２３を備える。基板６３は矩形板状であり、基板６３の一端は支持部６１に固定されている。本実施の形態では、基板６３の材質としてＳＵＳを用いることで、基板６３を安価に製造している。しかし、インバー、コバール等の他の材質を用いてもよい。垂直走査ミラー２１および捻れ梁部６４は、基板６３に中抜きを行うことで、基板６３に一体形成されている。垂直走査ミラー２１は、図４の左右方向に延びる揺動軸を中心として揺動する。２つの捻れ梁部６４は、垂直走査ミラー２１から左右に延び、基板６３と垂直走査ミラー２１とを接続する。
【００３９】
垂直走査駆動部２３は、基板６３のうち、捻れ梁部６４と垂直走査ミラー２１と基板６３とで形成される空間に対し垂直走査ミラー２１と対峙する側の板面に配置されている。本実施の形態の垂直走査駆動部２３は、電圧の印加によって振動する圧電膜である。しかし、圧電膜の代わりに、磁界の印加によって振動する磁歪体、永久磁石等を垂直走査駆動部２３として用いてもよい。つまり、電圧または磁界が印加されることで振動する振動体であれば、垂直走査駆動部２３として用いることができる。垂直走査駆動部２３は、電圧または磁界の印加によって振動することで、基板６３に板波を誘起する。基板６３に板波が誘起されると、捻れ梁部６４および垂直走査ミラー２１は捻れ振動を起こし、レーザ光を走査する。
【００４０】
図５を参照して、本実施の形態の垂直走査ミラー２１における駆動周波数と振れ角との間の特性について説明する。駆動周波数を変化させながら垂直走査ミラー２１を駆動すると、跳躍現象および履歴現象が生じる。跳躍現象とは、駆動周波数を変化させた場合に、垂直走査ミラー２１の振れ角が急激に増減する現象である。履歴現象とは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合と徐々に下降させる場合とで、跳躍現象が生じる周波数である跳躍周波数に差が生じる現象である。図５のグラフにおいて、黒色の線は、駆動周波数を徐々に下降させた場合（ダウンスイープ時）の垂直走査ミラー２１の駆動周波数と振れ角との関係を示す。白色の線は、駆動周波数を徐々に上昇させた場合（アップスイープ時）の垂直走査ミラー２１の駆動周波数と振れ角との関係を示す。
【００４１】
図５に示すように、メタルＭＥＭＳである垂直走査ミラー２１を用いた場合、ダウンスイープ時には、駆動周波数がＡ（跳躍周波数Ａ）に達した際に、振れ角は急激に減少する。一方で、アップスイープ時には、駆動周波数がＢ（跳躍周波数Ｂ）に達した際に、振れ角は急激に増加する。このように、ダウンスイープ時の跳躍周波数Ａは、アップスイープ時の跳躍周波数Ｂよりも低くなる。跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間の領域では、振れ角の増減の割合は一定ではなく、振れ角は非線形に変化する。従って、跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間の領域を非線形領域と呼ぶ。一方、駆動周波数が跳躍周波数Ｂよりも大きい領域では、振れ角の増減の割合は略一定となり、振れ角はほぼ線形に変化する。従って、駆動周波数が跳躍周波数Ｂよりも大きい領域を、線形領域と呼ぶ。
【００４２】
メタルＭＥＭＳである垂直走査ミラー２１を用いた場合、共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させながら振れ角を計測し、振れ角が最大となる駆動周波数を検出することで計測される。共振周波数は、ダウンスイープ時の跳躍周波数Ａと、アップスイープ時の跳躍周波数Ｂとの間の非線形領域内に存在する。従って、跳躍周波数Ｂからダウンスイープすることで共振周波数を計測すればよい。しかし、前述したように、共振周波数は、温度、経時変化等の影響で変動する。共振周波数を計測する従来の手法では、まず跳躍周波数Ｂが計測される。次いで、使用環境の変化等による共振周波数の変動が考慮されて、跳躍周波数Ｂよりも高い周波数が、起動時の駆動周波数（計測開始周波数）に設定される。計測開始周波数から徐々に駆動周波数が下げられることで、振れ角が最大となる駆動周波数が共振周波数として計測される。従って、従来の手法では、跳躍周波数Ｂを計測する処理の負荷がかかり、且つ、共振周波数の変動を考慮して幅広い駆動周波数の範囲を探索する必要があった。本実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、駆動時に跳躍周波数Ｂを計測することなく、且つ短時間で共振周波数を計測し、最適な駆動周波数を設定することができる。上記の処理の詳細について、以下説明する。
【００４３】
図６から図１３を参照して、駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１が実行する駆動処理について説明する。以下では、レーザ群１３等の複数のデバイスの駆動を制御するためにＣＰＵ１１１が実行する処理のうち、垂直走査ミラー２１の駆動を制御する処理について説明する。駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１は、画像の表示を開始させる指示を制御部５０から入力すると、ＲＯＭ１１２に記憶されているプログラムに従って、図５に示す駆動処理を開始する。
【００４４】
図６に示すように、駆動処理が開始されると、垂直走査ミラー２１の揺動を開始させるための処理（Ｓ１，Ｓ２）が行われる。まず、開始周波数算出処理が行われる（Ｓ１）。開始周波数算出処理では、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数が、起動用共振周波数（計測開始周波数）として算出される。
【００４５】
図７を参照して、開始周波数算出処理について説明する。開始周波数算出処理が開始されると、フラッシュメモリ５４に記憶されている変化量パラメータが読み込まれる（Ｓ３１）。変化量パラメータとは、走査ミラーの温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータである。図８に示すように、フラッシュメモリ５４には、変化量パラメータテーブルが記憶されている。変化量パラメータテーブルでは、温度センサ３３によって検出された垂直走査ミラー２１の温度と、この温度が検出された時点の垂直走査ミラー２１の共振周波数とが対応付けられて、複数記憶されている。変化量パラメータテーブル内のパラメータを用いることで、垂直走査ミラー２１の温度変化に対する共振周波数の変化割合を算出することができる。変化量パラメータテーブルの各値を記憶する処理については、図１３を参照して後述する。
【００４６】
次いで、フラッシュメモリ５４に記憶されている前回停止直前データが読み込まれる（Ｓ３２）。図９に示すように、前回停止直前データとは、垂直走査ミラー２１の共振揺動が前回停止された直前の、垂直走査ミラー２１の温度（停止直前温度Ｔ）および共振周波数（停止直前共振周波数Ｆ）のデータである。つまり、垂直走査ミラー２１の駆動中に前回計測された温度および共振周波数が、前回停止直前データとして記憶されている。次いで、その時点で温度センサ３３によって計測されている垂直走査ミラー２１の現在温度Ｅが取得される（Ｓ３３）。
【００４７】
ＣＰＵ１１１は、Ｓ３１〜Ｓ３３で取得した値から計測開始周波数を算出する（Ｓ３４）。まず、変化量パラメータテーブル内のパラメータから、温度変化に対する共振周波数の変化割合Ｚが算出される。変化割合Ｚは、変化量パラメータテーブルにおいて前回の停止直前温度Ｔ（図８参照）の値に対応付けられている共振周波数の値から、垂直走査ミラー２１の現在温度Ｅの値に対応付けられている共振周波数の値を引き、この値を（Ｔ−Ｅ）で割ることで算出される。次いで、以下の（式１）によって計測開始周波数が算出される。
計測開始周波数＝停止直前共振周波数Ｆ＋（停止直前温度Ｔ−現在温度Ｅ）×変化割合Ｚ・・・（式１）
【００４８】
つまり、ＣＰＵ１１１は、過去に計測された垂直走査ミラー２１の温度と共振周波数とを用いて、温度変化に対する共振周波数の変化割合Ｚを算出する。その結果、垂直走査ミラー２１の共振周波数が経時変化等の影響を受けて変化した場合でも、経時変化等の影響を含めた適切な変化割合Ｚを算出することができる。ＣＰＵ１１１は、算出した変化割合Ｚと、前回の共振揺動停止時の値（停止直前温度Ｔおよび停止直前共振周波数Ｆ）と、現在温度Ｅとを用いることで、温度変化および経時変化等の影響を考慮した適切な計測開始周波数を算出することができる。処理は駆動処理（図６参照）へ戻る。
【００４９】
図６の説明に戻る。ＣＰＵ１１１は、算出した計測開始周波数を起動時の駆動周波数に設定し、垂直走査ミラー２１を起動する（Ｓ２）。算出した計測開始周波数は、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数である。次いで、共振周波数の計測を行う（Ｓ３〜Ｓ２１）。まず、非線形領域より上側（周波数の高い側）に現れる跳躍周波数Ｂよりも大きい線形領域に向けて、垂直走査ミラー２１の駆動周波数をＸ上昇させる（Ｓ３）。上昇量Ｘの値は、起動直後であればあらかじめ定められた所定の値が用いられ、その後は後述するＳ７の処理で決定される。
【００５０】
ＣＰＵ１１１は、垂直走査ミラー２１の走査角の最大値である振れ角を検出する（Ｓ４）。振れ角を検出する手法には、複数のフォトダイオードを走査方向に並べて配置することで検出する手法、垂直走査ミラー２１を駆動する部材の変位を圧電素子等で検出する手法、ＢＤ信号の入力結果に基づいて検出する手法等、種々の手法があるが、いずれの手法を用いてもよい。前述したように、本実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、ＢＤ信号を利用して振れ角を検出する。ＢＤ信号を利用して振れ角を検出する手法は公知である（例えば、特開２００６−１０１３０６号参照）。ＢＤ信号は、レーザ光の主走査方向における位置が所定の位置に達した場合に出力される。垂直走査ミラー２１は共振揺動しているため、ＣＰＵ１１１は、レーザ光の位置が原点位置から所定の位置まで達するまでの時間を算出することで、垂直走査ミラー２１の振れ角を検出することができる。
【００５１】
ＣＰＵ１１１は、振れ角が増加から減少に変化する点である変曲点Ｃを検出したか否かを判断する（Ｓ５）。メタルＭＥＭＳである垂直走査ミラー２１を用いた場合、図１０に示すように、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数（起動用共振周波数）から駆動周波数を順次上昇させると、跳躍現象が生じた後に、振れ角は増加から減少に転じる。ＣＰＵ１１１は、振れ角の増減の変化を検出することで、変曲点Ｃを検出することができる。
【００５２】
変曲点Ｃが検出されなければ（Ｓ５：ＮＯ）、振れ角の増加割合が算出される（Ｓ６）。Ｓ６で算出される振れ角の増加割合は、駆動周波数の単位上昇量に対する振れ角の増加量である。振れ角の増加割合は、直前のＳ３の処理で駆動周波数を上昇させた結果増加した振れ角の増加量を、Ｓ３における駆動周波数の上昇量Ｘで割ることで算出される。
【００５３】
図１０に示すように、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数から駆動周波数を順次上昇させると、変曲点Ｃの直前で跳躍現象が起こり、振れ角は急激に増加する。従って、図１０に示すように、駆動周波数が変曲点Ｃの周波数に近づく程、振れ角の増加割合Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は徐々に増加する。つまり、振れ角の増加割合が大きい程、変曲点Ｃの周波数が近いことになる。よって、変曲点Ｃを正確に検出するためには、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の変化量である上昇量Ｘを小さくする必要がある。また、駆動周波数を変曲点Ｃの周波数に早急に効率よく近づけるためには、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の上昇量Ｘを大きくする必要がある。
【００５４】
ＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に記憶されている上昇量決定テーブル（図１１参照）を参照することで、振れ角の増加割合に応じた駆動周波数の上昇量Ｘを決定する（Ｓ７）。図１１に示すように、上昇量決定テーブルでは、振れ角の増加割合が大きくなる程、駆動周波数の上昇量Ｘが小さくなるように、振れ角の増加割合と上昇量Ｘとが対応付けられている。従って、ＣＰＵ１１１は、上昇量決定テーブルを参照することで、効率よく正確に変曲点Ｃを検出するための上昇量Ｘを、容易に決定することができる。ＣＰＵ１１１は、上昇量Ｘを決定すると、決定した上昇量Ｘだけ駆動周波数を再び上昇させて（Ｓ３）、変曲点Ｃを検出したか否かの判断を繰り返す（Ｓ４，Ｓ５）。
【００５５】
ＣＰＵ１１１は、変曲点Ｃを検出すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、垂直走査ミラー２１の駆動周波数をＹ下降させる（Ｓ１１）。つまり、駆動周波数を変化させる方向を、上昇から下降に切り替える。下降量Ｙの値は、駆動周波数を上昇から下降に切り替えた直後であれば、あらかじめ定められた所定の値が用いられる。その後は、後述するＳ１５の処理で下降量Ｙの値が決定される。ＣＰＵ１１１は、駆動周波数を下降させた状態で、垂直走査ミラー２１の振れ角を検出する（Ｓ１２）。次いで、ＣＰＵ１１１は、振れ角が最大となる駆動周波数を検出したか否かを判断する（Ｓ１３）。図１０に示すように、駆動周波数を変曲点Ｃの周波数から順次下降させると、跳躍現象が生じる前に、振れ角は増加から減少に転じる。増加から減少に転じる時点の振れ角が、最大の振れ角となる。ＣＰＵ１１１は、振れ角の増減の変化を検出することで、振れ角が最大となる駆動周波数を検出することができる。振れ角が最大となる駆動周波数は、垂直走査ミラー２１の共振周波数である。
【００５６】
振れ角が最大となる駆動周波数が検出されなければ（Ｓ１３：ＮＯ）、振れ角の増加割合が算出される（Ｓ１４）。Ｓ１４で算出される振れ角の増加割合は、駆動周波数の単位下降量に対する振れ角の増加量である。Ｓ１４では、直前のＳ１１で駆動周波数を下降させた結果増加した振れ角の増加量を、Ｓ１１における駆動周波数の下降量Ｙで割ることで、増加割合が算出される。
【００５７】
図１０に示すように、変曲点Ｃの周波数から駆動周波数を順次下降させると、振れ角が最大となる直前の非線形領域内では、振れ角の増加割合Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は徐々に減少する。つまり、振れ角の増加割合が小さい程、振れ角が最大となる駆動周波数（共振周波数）が近いことになる。よって、振れ角が最大となる駆動周波数を正確に検出するためには、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の下降量Ｙを小さくする必要がある。また、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の下降量Ｙを大きくすることで、振れ角が最大となる駆動周波数を効率よく早急に検出することができる。
【００５８】
ＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に記憶されている下降量決定テーブル（図１２参照）を参照することで、振れ角の増加割合に応じた駆動周波数の下降量Ｙを決定する（Ｓ１５）。図１１に示すように、下降量決定テーブルでは、振れ角の増加割合が小さくなる程、駆動周波数の下降量Ｙが小さくなるように、振れ角の増加割合と下降量Ｙとが対応付けられている。従って、ＣＰＵ１１１は、下降量決定テーブルを参照することで、振れ角が最大となる駆動周波数を効率よく正確に検出するための下降量Ｙを、容易に決定することができる。ＣＰＵ１１１は、下降量Ｙを決定すると、決定した下降量Ｙだけ駆動周波数を再び下降させて（Ｓ１１）、振れ角が最大となる駆動周波数の検出を繰り返す（Ｓ１２，Ｓ１３）。
【００５９】
振れ角が最大となる駆動周波数が検出されると（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１１は、検出した駆動周波数を共振周波数として計測する（Ｓ２１）。計測した共振周波数を、駆動中の垂直走査ミラー２１の駆動周波数に設定する（Ｓ２２）。次いで、ＣＰＵ１１１は、垂直駆動信号３６の振幅を制御し、垂直走査ミラー２１の振れ角を調整する（Ｓ２３）。具体的には、ＣＰＵ１１１は、振れ角が所定値よりも小さければ、垂直駆動信号３６の振幅を増加させて振れ角を増加させる。振れ角が所定値よりも大きい場合には、垂直駆動信号３６の振幅を減少させて振れ角を減少させる。その後、駆動中処理が行われて（Ｓ２４）、駆動処理は終了する。
【００６０】
図１３を参照して、駆動中処理について説明する。駆動中処理では、追従処理が開始される（Ｓ４１）。追従処理とは、共振周波数の変化に応じて駆動周波数および駆動振幅を制御し、駆動周波数を共振周波数に追従させつつ、振れ角を最適値に調整する処理である。追従処理は、駆動が終了するまで継続して実行される。追従処理では、ＣＰＵ１１１は、垂直走査ミラー２１の共振揺動動作の位相の変化を監視することで、共振周波数および振れ角の変化を検出する。ＣＰＵ１１１は、変化した共振周波数に駆動周波数を追従させると共に、駆動振幅を制御して振れ角を調整する。
【００６１】
次いで、一定時間が経過したか否かが判断される（Ｓ４２）。Ｓ４２で判断される一定時間は、変化量パラメータテーブルを一定周期で更新するために計測されている。一定時間が経過していなければ（Ｓ４２：ＮＯ）、ユーザによる駆動停止指示が入力部４０（図２参照）に入力されたか否かが判断される（Ｓ４３）。停止指示が入力されていなければ（Ｓ４３：ＮＯ）、Ｓ４２およびＳ４３の判断が繰り返される。
【００６２】
一定時間が経過すると（Ｓ４２：ＹＥＳ）、追従処理において検出されている現在の共振周波数と、温度センサ３３によって検出されている現在の温度とが取得される（Ｓ４５）。取得された共振周波数と温度とが対応付けられて、フラッシュメモリ５４の変化量パラメータテーブル（図８参照）に記憶され、変化量パラメータテーブルが更新される（Ｓ４６）。ＣＰＵ１１１は、変化量パラメータテーブルに記憶させてから所定時間経過したデータを削除する。従って、変化量パラメータテーブル内のパラメータは、経時変化等の影響も含む適切なパラメータとなる。処理はＳ４２の判断へ戻る。
【００６３】
ユーザによる駆動停止指示が入力されると（Ｓ４３：ＹＥＳ）、Ｓ４５の処理と同様に、追従処理において検出されている現在の共振周波数と、温度センサ３３によって検出されている現在の温度とが取得される（Ｓ４８）。取得された共振周波数および温度が、前回停止直前データ（図９参照）としてフラッシュメモリ５４に記憶される。垂直走査ミラー２１の駆動が停止されて、処理は図６に示す駆動処理へ戻り、駆動処理は終了する。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数を起動時の駆動周波数として、垂直走査駆動部２３による垂直走査ミラー２１の揺動動作を起動する。次いで、垂直走査ミラー２１の駆動周波数を線形領域へ向けて順次変化させていき、振れ角の増減の変曲点Ｃに達したら、駆動周波数の増減の方向を切り替える。その後、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を変化させている間に振れ角が最大となる駆動周波数を、垂直走査ミラー２１の共振周波数として計測し、計測した共振周波数を駆動周波数に設定して垂直走査ミラー２１を駆動する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮して広い範囲で共振周波数を探索する必要はない。さらに、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を順次変化（上記実施の形態では「上昇」）させた場合の跳躍周波数Ｂをあらかじめ計測しておく必要がない。よって、ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の共振周波数を短時間で容易に計測し、計測した共振周波数をその後の駆動周波数とすることができる。
【００６５】
上記実施の形態で用いられている垂直走査ミラー２１はメタルＭＥＭＳである。メタルＭＥＭＳを用いると、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂよりも低くなる。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させた場合における跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間に存在する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を増加させた後に減少させることによって、垂直走査ミラー２１の特性に応じた適切な方法で共振周波数を計測することができる。
【００６６】
ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の温度と、温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータと、前回停止直前データ（図８参照）とを用いて、起動用共振周波数を算出する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、温度変化および経時変化の影響を受けて共振周波数が変化した場合でも、最適な駆動周波数から計測処理を開始することができる。共振周波数の計測に失敗する可能性も低い。
【００６７】
ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を順次下降させて共振周波数を計測する場合、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の下降量Ｙを小さくする。その結果、共振周波数をより正確に素早く計測し、最適な駆動周波数を設定することができる。また、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を順次上昇させて変曲点Ｃを検出する場合、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の上昇量Ｘを小さくする。その結果、変曲点Ｃをより正確に素早く計測することができる。
【００６８】
ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の共振周波数に応じて、最適な駆動周波数で垂直走査ミラー２１を駆動しつつ、垂直走査ミラー２１の振れ角を調整することができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、共振周波数に応じて的確に垂直走査ミラー２１を駆動することができる。
【００６９】
上記実施の形態において、垂直走査ミラー２１が本発明の「走査ミラー」に相当する。垂直走査駆動部２３が本発明の「駆動手段」に相当する。駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１が、本発明の「駆動制御手段」として機能する。図６のＳ４，Ｓ１２等で、ＢＤセンサ３１が出力するＢＤ信号に基づいて垂直走査ミラー２１の振れ角を検出するＣＰＵ１１１が、本発明の「検出手段」として機能する。図６のＳ２で垂直走査ミラー２１の揺動動作を起動するＣＰＵ１１１が「起動手段」として機能する。図６のＳ３で駆動周波数を順次変化させるＣＰＵ１１１が「第一周波数変化手段」として機能する。図６のＳ１１で駆動周波数を順次変化させるＣＰＵ１１１が「第二周波数変化手段」として機能する。図６のＳ１３，Ｓ２１，Ｓ２２で共振周波数を計測して駆動周波数を設定するＣＰＵ１１１が「共振周波数設定手段」として機能する。
【００７０】
図７のＳ３３で垂直走査ミラー２１の温度を取得するＣＰＵ１１１が「温度取得手段」として機能する。図７のＳ３４で、起動時の駆動周波数である計測開始周波数を算出するＣＰＵ１１１が、「算出手段」として機能する。図６のＳ２３で垂直走査ミラー２１の振れ角を調整するＣＰＵ１１１が「振幅調整手段」として機能する。
【００７１】
図６のＳ２で垂直走査ミラー２１の揺動動作を起動する処理が「起動ステップ」に相当する。図６のＳ３で駆動周波数を順次変化させる処理が「第一周波数変化ステップ」に相当する。図６のＳ１１で駆動周波数を順次変化させる処理が「第二周波数変化ステップ」に相当する。図６のＳ１３，Ｓ２１，Ｓ２２で共振周波数を計測して駆動周波数を設定する処理が「共振周波数設定ステップ」に相当する。
【００７２】
本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。まず、メタルＭＥＭＳ以外の走査ミラーを用いた場合、駆動周波数と振れ角との間の特性は、図５のグラフで例示した特性とは異なる場合がある。例えば、メタルＭＥＭＳの代わりに所謂シリコンＭＥＭＳを垂直走査ミラー２１として使用すると、駆動周波数と振れ角との間の特性は、図５のグラフにおける駆動周波数の正負の方向を反転させた形状となる。
【００７３】
シリコンＭＥＭＳの構造については、例えば特開２００３−５７５８６に例示されている。シリコンＭＥＭＳは、走査ミラーを基体に対し揺動可能に支持する捻りバネ部を有し、その捻りバネ部の少なくとも一部に設けられた振動体を振動させることで捻りバネ部を振動させ、その結果、走査ミラーを揺動させて光を走査する。より詳細には、シリコンＭＥＭＳは、基体、振動体、第一の捻りバネ部、および１対の第二の捻りバネ部で構成される。第二の捻りバネ部は、基体に支持されており、且つ、該基体に跨ぐように設けられた振動体によって振動する。第二の捻りバネ部は第一の捻りバネ部に連結しており、該第一の捻りバネ部に振動を伝える。第一の捻りバネ部では、第二の捻りバネ部から伝わった振動によって捻れ変位が発生し、第一の捻りバネ部に連結支持される走査ミラーが揺動する。振動体は、シリコンによって形成することが一般的である。
【００７４】
シリコンＭＥＭＳを用いた場合、駆動周波数と振れ角との関係を示すグラフは、図５に例示したグラフの左右が反転したような形状となる。この場合でも、図６から図１３を参照して説明した各種処理において上昇と下降とを入れ替えるだけで、上記実施の形態と同様に共振周波数を計測することができる。例えば、シリコンＭＥＭＳを用いた場合、図６のＳ３では駆動周波数を順次下降させればよい。Ｓ７では、増加割合が大きくなる程、駆動周波数の１回の下降量が小さくなるように、下降量を決定すればよい。Ｓ１１では駆動周波数を順次上昇させればよい。Ｓ１５では、増加割合が小さくなる程、駆動周波数の１回の上昇量が小さくなるように、上昇量を決定すればよい。つまり、アップスイープおよびダウンスイープのいずれを先に実行するかは、使用する走査ミラーの種類に応じて適宜決定すればよい。
【００７５】
上記実施の形態は他の変更も可能である。例えば、上記実施の形態では、網膜走査型のヘッドマウントディスプレイ１を例示した。しかし、レーザ光を走査ミラーの共振揺動により主走査方向に走査させて画像を表示する画像表示装置であれば、本発明を適用できる。また、図６等に示した駆動処理を、画像表示装置に接続されたＰＣ等の外部機器が行い、外部機器が画像表示装置の動作を制御してもよい。変化量パラメータテーブル（図８参照）、前回停止直前データ（図９参照）等を記憶する記憶装置は、フラッシュメモリ５４以外の記憶装置に変更できることは言うまでもない。主走査方向を水平方向、副走査方向を垂直方向としてもよい。
【００７６】
図７のＳ３４に示す計測開始周波数の決定方法は変更できる。例えば、ヘッドマウントディスプレイ１は、図８に示す変化量パラメータテーブルにおいて、垂直走査ミラー２１の現在の温度に対応付けられている共振周波数を取得し、計測開始周波数として決定してもよい。図８に示す変化量パラメータテーブルを更新せずに、パラメータを固定値としてもよい。
【００７７】
上記実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、振れ角の増加割合に応じて、駆動周波数の上昇量Ｘおよび下降量Ｙを決定する。しかし、駆動周波数の上昇量Ｘおよび下降量Ｙの決定方法は変更できる。例えば、一定の計測精度の低下を許容できる場合には、上昇量Ｘおよび下降量Ｙの少なくとも一方を固定値としてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１ ヘッドマウントディスプレイ
１１ 駆動信号コントローラ
２１ 垂直走査ミラー
２３ 垂直走査駆動部
３１ ＢＤセンサ
３３ 温度センサ
３６ 垂直駆動信号
５４ フラッシュメモリ
１１１ ＣＰＵ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査ミラーの共振周波数を計測し、計測した共振周波数に応じて走査ミラーを駆動する光走査装置、および共振周波数設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、走査ミラーを駆動（揺動）させてレーザ光を走査することで、被走査面に画像を形成する光走査装置が知られている。走査ミラーを安定して効率よく共振揺動させるためには、走査ミラーを駆動させるための駆動信号の周波数（以下、「駆動周波数」という。）を、走査ミラーの共振周波数に応じて設定することが必要である。例えば、特許文献１が開示している光走査装置は、駆動周波数と振幅とを共振周波数に応じて設定することで、省エネルギー化を図っている。
【０００３】
同一の走査ミラーを用いる場合であっても、走査ミラーの共振周波数は、温度等の使用環境に伴って変動する。従って、走査ミラーを駆動させる場合、その時点における走査ミラーの共振周波数を計測し、計測した共振周波数に応じて駆動信号を制御することが望ましい。
【０００４】
従来の共振周波数の計測方法について説明する。まず、走査ミラーの駆動周波数と振れ角との間の特性について述べる。駆動周波数を変化させながら走査ミラーを駆動すると、跳躍現象および履歴現象（ヒステリシス）が生じる。跳躍現象とは、駆動周波数を変化させた場合に、走査ミラーの振れ角が急激に増減する現象である。履歴現象とは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合と徐々に下降させる場合とで、跳躍現象が生じる周波数（以下、「跳躍周波数」という。）に差が生じる現象である。
【０００５】
走査ミラーが所謂メタルＭＥＭＳ（詳細は後述する）である場合を例示する。走査ミラーがメタルＭＥＭＳであれば、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂよりも低い。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させながら振れ角を計測し、振れ角が最大となる駆動周波数を検出することで計測される。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａと、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂとの間の非線形領域内に存在する。従って、跳躍周波数Ｂから駆動周波数を徐々に下げながら計測を行えばよい。しかし、前述したように、共振周波数は温度等の使用環境に伴って変動する。よって、従来の光走査装置は、まず跳躍周波数Ｂを計測する。次いで、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮し、計測した跳躍周波数Ｂよりも高い周波数を、起動時の駆動周波数に設定する。起動時の駆動周波数から徐々に駆動周波数を下降させて、振れ角が最大となる駆動周波数を共振周波数として計測する。また、所謂シリコンＭＥＭＳ（詳細は後述する）等を用いる場合でも、周波数の大小関係がメタルＭＥＭＳの場合と逆になる以外は、上記の特性に変わりはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０８４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の方法では、使用環境の変化や耐久性劣化による共振周波数の変動を考慮して、前記起動時の駆動周波数をかなり高めに設定する必要があるため、広い範囲で共振周波数を探索しなければならなかった。そのために、共振周波数の計測を開始する前に、跳躍周波数Ｂをあらかじめ計測しておかなければならなかった。従って、共振周波数を計測して駆動周波数を設定するために、多くの処理量および長い処理時間を要するという問題点があった。
【０００８】
本発明は、走査ミラーの共振周波数を短時間で容易に計測して駆動周波数を設定することができる光走査装置、および共振周波数設定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の態様に係る光走査装置は、揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域とが現れる光走査装置であって、前記駆動制御手段は、起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動手段と、前記起動手段によって前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて一方向に順次変化させる第一周波数変化手段と、前記第一周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化手段によって変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化手段と、前記第二周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定手段とを備えている。
【００１０】
第一の態様に係る光走査装置は、予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として、走査ミラーの駆動手段を起動する。次いで、走査ミラーの駆動周波数を線形領域に向けて一方向に順次変化させていき、振れ角の増減の変曲点に達したら、変化させていた方向と逆の方向に駆動周波数を順次変化させていく。その後、光走査装置は、駆動周波数を変化させている間に振れ角が最大となる駆動周波数を、走査ミラーの共振周波数として計測し、計測した共振周波数を駆動周波数とする。従って、光走査装置は、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮して広い範囲で共振周波数を探索する必要はない。さらに、光走査装置は、跳躍現象が生じる周波数をあらかじめ計測しておく必要がない。よって、光走査装置は、走査ミラーの共振周波数を短時間で容易に計測し、計測した共振周波数をその後の駆動周波数とすることができる。
【００１１】
前記光走査装置は、前記走査ミラーを支持する捻れ梁部と、前記捻れ梁部を支持する基板とをさらに備えてもよい。前記駆動手段は、前記基板に設けられ、電圧の印加によって振動することで前記基板に板波を誘起して前記ミラー部を揺動させる振動体であってもよい。この場合、前記第一周波数変化手段は駆動周波数を順次増加させ、前記第二周波数変化手段は駆動周波数を順次減少させるのが望ましい。上記の条件では、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂよりも低くなる。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させた場合における跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間に存在する。従って、光走査装置は、駆動周波数を増加させた後に減少させることによって、走査ミラーの特性に応じた適切な方法で共振周波数を計測することができる。
【００１２】
前記駆動制御手段は、前記走査ミラーの温度を取得する温度取得手段と、前記走査ミラーの温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータと、前記温度取得手段によって取得された前記走査ミラーの温度と、前記計測手段によって前回計測された共振周波数とを用いて、前記起動用共振周波数を算出して設定する算出手段とをさらに備えてもよい。前記起動手段は、前記算出手段によって設定された前記起動用共振周波数で前記駆動手段を起動してもよい。この場合、光走査装置は、温度変化および経時変化の影響を受けて共振周波数が変化した場合でも、最適な駆動周波数から計測処理を開始することができる。共振周波数の計測に失敗する可能性も低い。
【００１３】
前記第二周波数変化手段は、駆動周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくしてもよい。共振周波数の近傍の非線形領域内では、駆動周波数が共振周波数に近くなる程、走査ミラーの振れ角の増加割合は小さくなる。従って、光走査装置は、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることで、共振周波数をより正確に計測し、最適な駆動周波数を設定することができる。
【００１４】
前記第一周波数変化手段は、周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくしてもよい。第一周波数変化手段によって周波数を変化させながら、走査ミラーの振れ角が増加から減少へ変化することを検出する場合、増加から減少への変化が生じる前に跳躍現象が生じる。従って、駆動周波数を変化させる毎に振れ角の増加割合は大きくなる。よって、第一周波数変化手段は、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることで、振れ角の増加から減少への変化を正確に把握することができる。
【００１５】
前記駆動制御手段は、前記共振周波数設定手段によって共振周波数が駆動周波数に設定された場合に、前記駆動信号の振幅を制御して前記走査ミラーの振れ角を所定条件に応じて調整する振幅調整手段をさらに備えてもよい。光走査装置は、走査ミラーの共振周波数に応じて最適な駆動周波数で走査ミラーを駆動しつつ、走査ミラーの振れ角を調整することができる。従って、光走査装置は、共振周波数に応じて的確に走査ミラーを駆動することができる。
【００１６】
本発明の第二の態様に係る共振周波数設定方法は、揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域とが現れる光走査装置の前記駆動制御手段によって実行される共振周波数設定方法であって、起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動ステップと、前記起動ステップにおいて前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて順次変化させる第一周波数変化ステップと、前記第一周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化ステップにおいて変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化ステップと、前記第二周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定ステップとを備えている。
【００１７】
第二の態様に係る共振周波数設定方法によると、光走査装置は、予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として、走査ミラーの駆動手段を起動する。次いで、走査ミラーの駆動周波数を線形領域に向けて一方向に順次変化させていき、振れ角の増減の変曲点に達したら、変化させていた方向と逆の方向に駆動周波数を順次変化させていく。その後、光走査装置は、駆動周波数を変化させている間に振れ角が最大となる駆動周波数を、走査ミラーの共振周波数として計測し、計測した共振周波数を駆動周波数とする。従って、光走査装置は、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮して広い範囲で共振周波数を探索する必要はない。さらに、光走査装置は、跳躍現象が生じる周波数をあらかじめ計測しておく必要がない。よって、光走査装置は、走査ミラーの共振周波数を短時間で容易に計測し、計測した共振周波数をその後の駆動周波数とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ヘッドマウントディスプレイ１の外観構成を示す図である。
【図２】ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】表示部１０が画像光５を射出する過程を説明する説明図である。
【図４】垂直走査系２０の斜視図である。
【図５】垂直走査ミラー２１にメタルＭＥＭＳを用いた場合の駆動周波数と振れ角との関係を示すグラフである。
【図６】ＣＰＵ１１１が実行する駆動処理のフローチャートである。
【図７】駆動処理中に実行される開始周波数算出処理のフローチャートである。
【図８】フラッシュメモリ５４に記憶される変化量パラメータテーブルの説明図である。
【図９】フラッシュメモリ５４に記憶される前回停止直前データの説明図である。
【図１０】駆動周波数の上昇量および下降量と振れ角の増加量との関係を示す説明図である。
【図１１】ＲＯＭ１１２に記憶されている上昇量決定テーブルの説明図である。
【図１２】ＲＯＭ１１２に記憶されている下降量決定テーブルの説明図である。
【図１３】駆動処理中に実行される駆動中処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成、各種処理のフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００２０】
以下では、光走査装置の１つであるヘッドマウントディスプレイ１を例に挙げて説明を行う。ヘッドマウントディスプレイ１は、画像信号に応じて変調されたレーザ光を走査させて、画像光として射出し、ユーザの少なくとも一方の眼の網膜に画像を直接投影する網膜走査型ディスプレイである。しかし、本発明が適用できるのはヘッドマウントディスプレイ１に限られない。画像を表示するためのレーザ光を走査する光走査装置であれば、本発明は適用できる。例えば、走査したレーザ光を、投影対象となるスクリーン上に射出して投影するスクリーン走査型の画像表示装置にも、本発明は適用できる。
【００２１】
図１を参照して、ヘッドマウントディスプレイ１の概略構成について説明する。ヘッドマウントディスプレイ１は、射出装置２と、接眼部３と、頭部装着部４とを少なくとも備える。射出装置２は、画像信号に応じて画像光５（図３参照）を接眼部３へ射出する。射出装置２に対する接眼部３の位置は固定されている。接眼部３は、ハーフミラー３８（図３参照）を備えている。接眼部３は、ハーフミラー３８によって、外界からの外光６を透過し、且つ、射出装置２から射出された画像光５をユーザの眼に向かって反射させる。つまり、接眼部３は、ユーザの側方から入射した画像光５と、外界から入射した外光６とを、共にユーザの眼に入射させる。その結果、ユーザは、実際の視界に加えて、射出装置２から射出された画像光に基づく画像を視認することができる。
【００２２】
図２を参照して、ヘッドマウントディスプレイ１の電気的構成について説明する。ヘッドマウントディスプレイ１は、表示部１０、入力部４０、通信部４３、制御部５０、ビデオＲＡＭ５３、フラッシュメモリ５４、および電源部５５を備える。
【００２３】
表示部１０は、ユーザに画像を視認させる部位である。表示部１０は、駆動信号コントローラ１１、レーザ群１３、およびレーザドライバ群１２を備える。駆動信号コントローラ１１は、ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、およびＲＡＭ１１３を備える。駆動信号コントローラ１１では、ＲＯＭ１１２に格納されたプログラムがＣＰＵ１１１によって読み出されることで、表示部１０を駆動するための各種処理が行われる。具体的には、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から画像信号を入力し、入力した信号に応じて、レーザドライバ群１２に駆動信号（輝度信号）を出力する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、後述する垂直走査ミラー２１および水平走査ミラー２６を揺動させるための条件（例えば、垂直走査ミラー２１の駆動周波数および振れ角）を決定し、垂直走査駆動部２３および水平走査駆動部２８に駆動信号を出力する（詳細は後述する）。レーザ群１３は、青色出力レーザ（Ｂレーザ）１３１、緑色出力レーザ（Ｇレーザ）１３２、および赤色出力レーザ（Ｒレーザ）１３３を含む。レーザ群１３は、青色、緑色、および赤色のレーザ光を出力する。レーザドライバ群１２は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じてレーザ群１３を制御し、レーザ群１３にレーザ光を出力させる。つまり、制御部５０がヘッドマウントディスプレイ１の全体制御を司り、駆動信号コントローラ１１は、制御部５０から入力する画像信号に応じて画像表示の処理を制御する。
【００２４】
表示部１０は、垂直走査ミラー２１、垂直走査駆動部２３、水平走査ミラー２６、および水平走査駆動部２８を備える。垂直走査ミラー２１は、揺動軸周りに揺動することで、レーザ群１３から出力されたレーザ光を垂直方向（本実施の形態の主走査方向）に走査する。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、垂直走査ミラー２１を高速で共振揺動させる。水平走査ミラー２６は、垂直走査ミラー２１によって垂直方向に二次元走査されたレーザ光を、さらに水平方向（本実施の形態の副走査方向）に走査する。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から受信した駆動信号に応じて、水平走査ミラー２６を低速揺動させる。
【００２５】
表示部１０は、ＢＤ（ビームディテクト）センサ３１、およびＢＤ信号検出回路３２を備える。ＢＤセンサ３１は、垂直走査ミラー２１によって反射されたレーザ光（主走査方向に走査されたレーザ光）を検出する。つまり、ＢＤセンサ３１は、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出するために設けられている。ＢＤ信号検出回路３２は、レーザ光が所定の位置に到達したことがＢＤセンサ３１によって検出された場合に、ＢＤ信号を駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、垂直走査ミラー２１の走査角の最大値である振れ角を検出する。さらに、駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号の入力結果に基づいて、レーザ群１３からレーザ光を出力するタイミングを決定する。
【００２６】
表示部１０は、温度センサ３３を備える。温度センサ３３は、垂直走査ミラー２１の周囲の温度を検出し、検出した温度を駆動信号コントローラ１１に出力する。駆動信号コントローラ１１は、垂直走査ミラー２１の起動時の駆動周波数である起動用共振周波数を、温度センサ３３から入力した温度に基づいて決定する。
【００２７】
入力部４０は、ユーザからの各種操作指示の入力を受け付ける部位である。入力部４０は、操作ボタン群４１および入力制御回路４２を備える。入力制御回路４２は、操作ボタン群４１のボタンが操作されたことを検出する。入力制御回路４２は、制御部５０と電気的に接続されており、ボタン操作に関する情報を制御部５０に出力する。
【００２８】
通信部４３は、画像情報等の送受信を行う部位である。通信部４３は、通信モジュール４４および通信制御回路４５を備える。通信モジュール４４は、外部機器との間の無線通信または有線通信によって、画像情報等の送受信を行う。通信制御回路４５は、通信モジュール４４の動作を制御する。通信制御回路４５は、制御部５０と電気的に接続されており、制御部５０に画像情報を取得させる。
【００２９】
制御部５０は、ヘッドマウントディスプレイ１の全体の制御を司る。制御部５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭを備える。制御部５０では、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵによって読み出されることで、ヘッドマウントディスプレイ１の動作を制御するための各種処理が行われる。ビデオＲＡＭ５３には、画像情報に含まれるイメージデータが展開される。フラッシュメモリ５４は、ヘッドマウントディスプレイ１で使用される機能の各種設定値等を記憶する。
【００３０】
電源部５５は、電池５６および充電制御回路５７を備える。電池５６は、ヘッドマウントディスプレイ１を駆動させるための電源となる充電式の電池である。充電制御回路５７は、電池５６からヘッドマウントディスプレイ１への電力供給の制御、および充電用アダプタ（図示せず）から電池５６への充電の制御を行う。
【００３１】
図３を参照して、表示部１０が画像光５を射出する過程の概要について説明する。表示部１０は、光源ユニット部１８、コリメート光学系１９、垂直走査系２０、第一リレー光学系２４、水平走査系２５、および第二リレー光学系２９を備える。
【００３２】
光源ユニット部１８は、駆動信号コントローラ１１、レーザドライバ群１２、レーザ群１３、コリメート光学系１４、ダイクロイックミラー群１５、結合光学系１６、およびＢＤ信号検出回路３２を備える。駆動信号コントローラ１１は、例えば、制御部５０によってビデオＲＡＭ５３に展開されたイメージデータの画像信号を、表示すべき画像を構成する画素毎に読み出して、駆動信号である輝度信号３５を生成すると共に、垂直駆動信号３６、および水平駆動信号３７を生成する。駆動信号コントローラ１１は、生成した輝度信号３５（Ｂ輝度信号３５１、Ｇ輝度信号３５２、およびＲ輝度信号３５３）をレーザドライバ群１２（Ｂレーザドライバ１２１、Ｇレーザドライバ１２２、およびＲレーザドライバ１２３）に出力する。さらに、垂直駆動信号３６を垂直走査駆動部２３に出力し、水平駆動信号３７を水平走査駆動部２８に出力する。ただし、駆動信号コントローラ１１は、ＢＤ信号検出回路３２からＢＤ信号が入力されたタイミング（レーザ光が所定の位置に到達したタイミング）に基づいて、前記垂直駆動信号３６および水平駆動信号３７を制御すると共に、輝度信号３５をレーザドライバ群１２に出力するタイミングを決めている。
【００３３】
レーザドライバ群１２は、入力された輝度信号３５に基づいて、強度変調されたレーザ光をレーザ群１３に出力させる。レーザ群１３が出力したレーザ光は、コリメート光学系１４に入射する。コリメート光学系１４の３つのコリメートレンズ１４１〜１４３は、レーザ群１３が出力した３色（青色、緑色、赤色）のレーザ光のそれぞれを平行光にコリメートする。コリメート光学系１４によってコリメートされたレーザ光は、ダイクロイックミラー群１５に入射する。ダイクロイックミラー群１５の３つのダイクロイックミラー１５１〜１５３は、コリメートされた３色のレーザ光を１つのレーザ光になるように合波する。合波されたレーザ光は、結合光学系１６によって光ファイバ１７に導かれる。
【００３４】
光ファイバ１７を伝達したレーザ光は、コリメート光学系１９によって平行光にコリメートされて、垂直走査系２０に入射する。本実施の形態の垂直走査系２０は、表示すべき画像の１走査線ごとに、レーザ光を垂直方向（主走査方向）に走査する。垂直走査系２０は、水平走査系２５よりも高速に（すなわち、高周波数で）レーザ光を走査するように設計されている。垂直走査系２０に入射したレーザ光は、垂直走査ミラー２１の偏向面２２に照射される。垂直走査駆動部２３は、駆動信号コントローラ１１から入力された垂直駆動信号３６に従って、垂直走査ミラー２１を共振揺動させる。その結果、偏向面２２に照射されたレーザ光は、垂直方向に高速で走査される。前述したように、ＢＤセンサ３１は、垂直走査ミラー２１によって垂直走査されたレーザ光を検出することで、レーザ光の主走査方向における基準位置（基準タイミング）を検出する。
【００３５】
垂直走査されたレーザ光は、第一リレー光学系２４を介して水平走査系２５に入射する。本実施の形態の水平走査系２５は、表示すべき画像の１フレーム毎に、レーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かう水平方向（副走査方向）に走査する。水平走査系２５に入射したレーザ光は、水平走査ミラー２６の偏向面２７に照射される。水平走査駆動部２８は、駆動信号コントローラ１１から入力された水平駆動信号３７に従って、水平走査ミラー２６を揺動させる。その結果、偏向面２７に照射されたレーザ光は、水平方向に走査される。
【００３６】
垂直走査系２０および水平走査系２５によって二次元走査されたレーザ光のうち、画像を表示させるためのレーザ光である画像光５は、第二リレー光学系２９を介してハーフミラー３８に射出される。画像光５は、ハーフミラー３８によって全反射されてユーザの瞳孔３９に導かれる。その結果、ビデオＲＡＭ５３（図２参照）に展開されたイメージデータに基づく画像が、ユーザの網膜上に形成される。ユーザは、二次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光による画像を視認することができる。
【００３７】
以上説明したように、ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１を高速で共振揺動させ、且つ水平走査ミラー２６を垂直走査ミラー２１よりも低速で揺動させることで、レーザ光を二次元走査させる。垂直走査ミラー２１を効率よく共振揺動させるためには、垂直走査ミラー２１を駆動させるための駆動周波数を、垂直走査ミラー２１の共振周波数に近い値に設定する必要がある。垂直走査ミラー２１を共振周波数に近い駆動周波数で駆動させて共振状態とすることで、駆動エネルギーが垂直走査ミラー２１に対してロスなく出入りする。ここで、垂直走査ミラー２１の共振周波数は、垂直走査ミラー２１の温度、経時変化等の影響で変動する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、その時点における垂直走査ミラー２１の共振周波数を計測し、計測した共振周波数を駆動周波数に設定することが望ましい。
【００３８】
図４を参照して、本実施の形態に係る垂直走査系２０の種類について説明する。本実施の形態の垂直走査ミラー２１は、所謂メタルＭＥＭＳである（例えば、特開２００６−２９３１１６号公報参照）。図４に示すように、垂直走査系２０は、基板６３、垂直走査ミラー２１、捻れ梁部６４、および垂直走査駆動部２３を備える。基板６３は矩形板状であり、基板６３の一端は支持部６１に固定されている。本実施の形態では、基板６３の材質としてＳＵＳを用いることで、基板６３を安価に製造している。しかし、インバー、コバール等の他の材質を用いてもよい。垂直走査ミラー２１および捻れ梁部６４は、基板６３に中抜きを行うことで、基板６３に一体形成されている。垂直走査ミラー２１は、図４の左右方向に延びる揺動軸を中心として揺動する。２つの捻れ梁部６４は、垂直走査ミラー２１から左右に延び、基板６３と垂直走査ミラー２１とを接続する。
【００３９】
垂直走査駆動部２３は、基板６３のうち、捻れ梁部６４と垂直走査ミラー２１と基板６３とで形成される空間に対し垂直走査ミラー２１と対峙する側の板面に配置されている。本実施の形態の垂直走査駆動部２３は、電圧の印加によって振動する圧電膜である。しかし、圧電膜の代わりに、磁界の印加によって振動する磁歪体、永久磁石等を垂直走査駆動部２３として用いてもよい。つまり、電圧または磁界が印加されることで振動する振動体であれば、垂直走査駆動部２３として用いることができる。垂直走査駆動部２３は、電圧または磁界の印加によって振動することで、基板６３に板波を誘起する。基板６３に板波が誘起されると、捻れ梁部６４および垂直走査ミラー２１は捻れ振動を起こし、レーザ光を走査する。
【００４０】
図５を参照して、本実施の形態の垂直走査ミラー２１における駆動周波数と振れ角との間の特性について説明する。駆動周波数を変化させながら垂直走査ミラー２１を駆動すると、跳躍現象および履歴現象が生じる。跳躍現象とは、駆動周波数を変化させた場合に、垂直走査ミラー２１の振れ角が急激に増減する現象である。履歴現象とは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合と徐々に下降させる場合とで、跳躍現象が生じる周波数である跳躍周波数に差が生じる現象である。図５のグラフにおいて、黒色の線は、駆動周波数を徐々に下降させた場合（ダウンスイープ時）の垂直走査ミラー２１の駆動周波数と振れ角との関係を示す。白色の線は、駆動周波数を徐々に上昇させた場合（アップスイープ時）の垂直走査ミラー２１の駆動周波数と振れ角との関係を示す。
【００４１】
図５に示すように、メタルＭＥＭＳである垂直走査ミラー２１を用いた場合、ダウンスイープ時には、駆動周波数がＡ（跳躍周波数Ａ）に達した際に、振れ角は急激に減少する。一方で、アップスイープ時には、駆動周波数がＢ（跳躍周波数Ｂ）に達した際に、振れ角は急激に増加する。このように、ダウンスイープ時の跳躍周波数Ａは、アップスイープ時の跳躍周波数Ｂよりも低くなる。跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間の領域では、振れ角の増減の割合は一定ではなく、振れ角は非線形に変化する。従って、跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間の領域を非線形領域と呼ぶ。一方、駆動周波数が跳躍周波数Ｂよりも大きい領域では、振れ角の増減の割合は略一定となり、振れ角はほぼ線形に変化する。従って、駆動周波数が跳躍周波数Ｂよりも大きい領域を、線形領域と呼ぶ。
【００４２】
メタルＭＥＭＳである垂直走査ミラー２１を用いた場合、共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させながら振れ角を計測し、振れ角が最大となる駆動周波数を検出することで計測される。共振周波数は、ダウンスイープ時の跳躍周波数Ａと、アップスイープ時の跳躍周波数Ｂとの間の非線形領域内に存在する。従って、跳躍周波数Ｂからダウンスイープすることで共振周波数を計測すればよい。しかし、前述したように、共振周波数は、温度、経時変化等の影響で変動する。共振周波数を計測する従来の手法では、まず跳躍周波数Ｂが計測される。次いで、使用環境の変化等による共振周波数の変動が考慮されて、跳躍周波数Ｂよりも高い周波数が、起動時の駆動周波数（計測開始周波数）に設定される。計測開始周波数から徐々に駆動周波数が下げられることで、振れ角が最大となる駆動周波数が共振周波数として計測される。従って、従来の手法では、跳躍周波数Ｂを計測する処理の負荷がかかり、且つ、共振周波数の変動を考慮して幅広い駆動周波数の範囲を探索する必要があった。本実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、駆動時に跳躍周波数Ｂを計測することなく、且つ短時間で共振周波数を計測し、最適な駆動周波数を設定することができる。上記の処理の詳細について、以下説明する。
【００４３】
図６から図１３を参照して、駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１が実行する駆動処理について説明する。以下では、レーザ群１３等の複数のデバイスの駆動を制御するためにＣＰＵ１１１が実行する処理のうち、垂直走査ミラー２１の駆動を制御する処理について説明する。駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１は、画像の表示を開始させる指示を制御部５０から入力すると、ＲＯＭ１１２に記憶されているプログラムに従って、図５に示す駆動処理を開始する。
【００４４】
図６に示すように、駆動処理が開始されると、垂直走査ミラー２１の揺動を開始させるための処理（Ｓ１，Ｓ２）が行われる。まず、開始周波数算出処理が行われる（Ｓ１）。開始周波数算出処理では、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数が、起動用共振周波数（計測開始周波数）として算出される。
【００４５】
図７を参照して、開始周波数算出処理について説明する。開始周波数算出処理が開始されると、フラッシュメモリ５４に記憶されている変化量パラメータが読み込まれる（Ｓ３１）。変化量パラメータとは、走査ミラーの温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータである。図８に示すように、フラッシュメモリ５４には、変化量パラメータテーブルが記憶されている。変化量パラメータテーブルでは、温度センサ３３によって検出された垂直走査ミラー２１の温度と、この温度が検出された時点の垂直走査ミラー２１の共振周波数とが対応付けられて、複数記憶されている。変化量パラメータテーブル内のパラメータを用いることで、垂直走査ミラー２１の温度変化に対する共振周波数の変化割合を算出することができる。変化量パラメータテーブルの各値を記憶する処理については、図１３を参照して後述する。
【００４６】
次いで、フラッシュメモリ５４に記憶されている前回停止直前データが読み込まれる（Ｓ３２）。図９に示すように、前回停止直前データとは、垂直走査ミラー２１の共振揺動が前回停止された直前の、垂直走査ミラー２１の温度（停止直前温度Ｔ）および共振周波数（停止直前共振周波数Ｆ）のデータである。つまり、垂直走査ミラー２１の駆動中に前回計測された温度および共振周波数が、前回停止直前データとして記憶されている。次いで、その時点で温度センサ３３によって計測されている垂直走査ミラー２１の現在温度Ｅが取得される（Ｓ３３）。
【００４７】
ＣＰＵ１１１は、Ｓ３１〜Ｓ３３で取得した値から計測開始周波数を算出する（Ｓ３４）。まず、変化量パラメータテーブル内のパラメータから、温度変化に対する共振周波数の変化割合Ｚが算出される。変化割合Ｚは、変化量パラメータテーブルにおいて前回の停止直前温度Ｔ（図８参照）の値に対応付けられている共振周波数の値から、垂直走査ミラー２１の現在温度Ｅの値に対応付けられている共振周波数の値を引き、この値を（Ｔ−Ｅ）で割ることで算出される。次いで、以下の（式１）によって計測開始周波数が算出される。
計測開始周波数＝停止直前共振周波数Ｆ＋（停止直前温度Ｔ−現在温度Ｅ）×変化割合Ｚ・・・（式１）
【００４８】
つまり、ＣＰＵ１１１は、過去に計測された垂直走査ミラー２１の温度と共振周波数とを用いて、温度変化に対する共振周波数の変化割合Ｚを算出する。その結果、垂直走査ミラー２１の共振周波数が経時変化等の影響を受けて変化した場合でも、経時変化等の影響を含めた適切な変化割合Ｚを算出することができる。ＣＰＵ１１１は、算出した変化割合Ｚと、前回の共振揺動停止時の値（停止直前温度Ｔおよび停止直前共振周波数Ｆ）と、現在温度Ｅとを用いることで、温度変化および経時変化等の影響を考慮した適切な計測開始周波数を算出することができる。処理は駆動処理（図６参照）へ戻る。
【００４９】
図６の説明に戻る。ＣＰＵ１１１は、算出した計測開始周波数を起動時の駆動周波数に設定し、垂直走査ミラー２１を起動する（Ｓ２）。算出した計測開始周波数は、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数である。次いで、共振周波数の計測を行う（Ｓ３〜Ｓ２１）。まず、非線形領域より上側（周波数の高い側）に現れる跳躍周波数Ｂよりも大きい線形領域に向けて、垂直走査ミラー２１の駆動周波数をＸ上昇させる（Ｓ３）。上昇量Ｘの値は、起動直後であればあらかじめ定められた所定の値が用いられ、その後は後述するＳ７の処理で決定される。
【００５０】
ＣＰＵ１１１は、垂直走査ミラー２１の走査角の最大値である振れ角を検出する（Ｓ４）。振れ角を検出する手法には、複数のフォトダイオードを走査方向に並べて配置することで検出する手法、垂直走査ミラー２１を駆動する部材の変位を圧電素子等で検出する手法、ＢＤ信号の入力結果に基づいて検出する手法等、種々の手法があるが、いずれの手法を用いてもよい。前述したように、本実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、ＢＤ信号を利用して振れ角を検出する。ＢＤ信号を利用して振れ角を検出する手法は公知である（例えば、特開２００６−１０１３０６号参照）。ＢＤ信号は、レーザ光の主走査方向における位置が所定の位置に達した場合に出力される。垂直走査ミラー２１は共振揺動しているため、ＣＰＵ１１１は、レーザ光の位置が原点位置から所定の位置まで達するまでの時間を算出することで、垂直走査ミラー２１の振れ角を検出することができる。
【００５１】
ＣＰＵ１１１は、振れ角が増加から減少に変化する点である変曲点Ｃを検出したか否かを判断する（Ｓ５）。メタルＭＥＭＳである垂直走査ミラー２１を用いた場合、図１０に示すように、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数（起動用共振周波数）から駆動周波数を順次上昇させると、跳躍現象が生じた後に、振れ角は増加から減少に転じる。ＣＰＵ１１１は、振れ角の増減の変化を検出することで、変曲点Ｃを検出することができる。
【００５２】
変曲点Ｃが検出されなければ（Ｓ５：ＮＯ）、振れ角の増加割合が算出される（Ｓ６）。Ｓ６で算出される振れ角の増加割合は、駆動周波数の単位上昇量に対する振れ角の増加量である。振れ角の増加割合は、直前のＳ３の処理で駆動周波数を上昇させた結果増加した振れ角の増加量を、Ｓ３における駆動周波数の上昇量Ｘで割ることで算出される。
【００５３】
図１０に示すように、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数から駆動周波数を順次上昇させると、変曲点Ｃの直前で跳躍現象が起こり、振れ角は急激に増加する。従って、図１０に示すように、駆動周波数が変曲点Ｃの周波数に近づく程、振れ角の増加割合Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は徐々に増加する。つまり、振れ角の増加割合が大きい程、変曲点Ｃの周波数が近いことになる。よって、変曲点Ｃを正確に検出するためには、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の変化量である上昇量Ｘを小さくする必要がある。また、駆動周波数を変曲点Ｃの周波数に早急に効率よく近づけるためには、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の上昇量Ｘを大きくする必要がある。
【００５４】
ＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に記憶されている上昇量決定テーブル（図１１参照）を参照することで、振れ角の増加割合に応じた駆動周波数の上昇量Ｘを決定する（Ｓ７）。図１１に示すように、上昇量決定テーブルでは、振れ角の増加割合が大きくなる程、駆動周波数の上昇量Ｘが小さくなるように、振れ角の増加割合と上昇量Ｘとが対応付けられている。従って、ＣＰＵ１１１は、上昇量決定テーブルを参照することで、効率よく正確に変曲点Ｃを検出するための上昇量Ｘを、容易に決定することができる。ＣＰＵ１１１は、上昇量Ｘを決定すると、決定した上昇量Ｘだけ駆動周波数を再び上昇させて（Ｓ３）、変曲点Ｃを検出したか否かの判断を繰り返す（Ｓ４，Ｓ５）。
【００５５】
ＣＰＵ１１１は、変曲点Ｃを検出すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、垂直走査ミラー２１の駆動周波数をＹ下降させる（Ｓ１１）。つまり、駆動周波数を変化させる方向を、上昇から下降に切り替える。下降量Ｙの値は、駆動周波数を上昇から下降に切り替えた直後であれば、あらかじめ定められた所定の値が用いられる。その後は、後述するＳ１５の処理で下降量Ｙの値が決定される。ＣＰＵ１１１は、駆動周波数を下降させた状態で、垂直走査ミラー２１の振れ角を検出する（Ｓ１２）。次いで、ＣＰＵ１１１は、振れ角が最大となる駆動周波数を検出したか否かを判断する（Ｓ１３）。図１０に示すように、駆動周波数を変曲点Ｃの周波数から順次下降させると、跳躍現象が生じる前に、振れ角は増加から減少に転じる。増加から減少に転じる時点の振れ角が、最大の振れ角となる。ＣＰＵ１１１は、振れ角の増減の変化を検出することで、振れ角が最大となる駆動周波数を検出することができる。振れ角が最大となる駆動周波数は、垂直走査ミラー２１の共振周波数である。
【００５６】
振れ角が最大となる駆動周波数が検出されなければ（Ｓ１３：ＮＯ）、振れ角の増加割合が算出される（Ｓ１４）。Ｓ１４で算出される振れ角の増加割合は、駆動周波数の単位下降量に対する振れ角の増加量である。Ｓ１４では、直前のＳ１１で駆動周波数を下降させた結果増加した振れ角の増加量を、Ｓ１１における駆動周波数の下降量Ｙで割ることで、増加割合が算出される。
【００５７】
図１０に示すように、変曲点Ｃの周波数から駆動周波数を順次下降させると、振れ角が最大となる直前の非線形領域内では、振れ角の増加割合Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は徐々に減少する。つまり、振れ角の増加割合が小さい程、振れ角が最大となる駆動周波数（共振周波数）が近いことになる。よって、振れ角が最大となる駆動周波数を正確に検出するためには、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の下降量Ｙを小さくする必要がある。また、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の下降量Ｙを大きくすることで、振れ角が最大となる駆動周波数を効率よく早急に検出することができる。
【００５８】
ＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に記憶されている下降量決定テーブル（図１２参照）を参照することで、振れ角の増加割合に応じた駆動周波数の下降量Ｙを決定する（Ｓ１５）。図１１に示すように、下降量決定テーブルでは、振れ角の増加割合が小さくなる程、駆動周波数の下降量Ｙが小さくなるように、振れ角の増加割合と下降量Ｙとが対応付けられている。従って、ＣＰＵ１１１は、下降量決定テーブルを参照することで、振れ角が最大となる駆動周波数を効率よく正確に検出するための下降量Ｙを、容易に決定することができる。ＣＰＵ１１１は、下降量Ｙを決定すると、決定した下降量Ｙだけ駆動周波数を再び下降させて（Ｓ１１）、振れ角が最大となる駆動周波数の検出を繰り返す（Ｓ１２，Ｓ１３）。
【００５９】
振れ角が最大となる駆動周波数が検出されると（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１１１は、検出した駆動周波数を共振周波数として計測する（Ｓ２１）。計測した共振周波数を、駆動中の垂直走査ミラー２１の駆動周波数に設定する（Ｓ２２）。次いで、ＣＰＵ１１１は、垂直駆動信号３６の振幅を制御し、垂直走査ミラー２１の振れ角を調整する（Ｓ２３）。具体的には、ＣＰＵ１１１は、振れ角が所定値よりも小さければ、垂直駆動信号３６の振幅を増加させて振れ角を増加させる。振れ角が所定値よりも大きい場合には、垂直駆動信号３６の振幅を減少させて振れ角を減少させる。その後、駆動中処理が行われて（Ｓ２４）、駆動処理は終了する。
【００６０】
図１３を参照して、駆動中処理について説明する。駆動中処理では、追従処理が開始される（Ｓ４１）。追従処理とは、共振周波数の変化に応じて駆動周波数および駆動振幅を制御し、駆動周波数を共振周波数に追従させつつ、振れ角を最適値に調整する処理である。追従処理は、駆動が終了するまで継続して実行される。追従処理では、ＣＰＵ１１１は、垂直走査ミラー２１の共振揺動動作の位相の変化を監視することで、共振周波数および振れ角の変化を検出する。ＣＰＵ１１１は、変化した共振周波数に駆動周波数を追従させると共に、駆動振幅を制御して振れ角を調整する。
【００６１】
次いで、一定時間が経過したか否かが判断される（Ｓ４２）。Ｓ４２で判断される一定時間は、変化量パラメータテーブルを一定周期で更新するために計測されている。一定時間が経過していなければ（Ｓ４２：ＮＯ）、ユーザによる駆動停止指示が入力部４０（図２参照）に入力されたか否かが判断される（Ｓ４３）。停止指示が入力されていなければ（Ｓ４３：ＮＯ）、Ｓ４２およびＳ４３の判断が繰り返される。
【００６２】
一定時間が経過すると（Ｓ４２：ＹＥＳ）、追従処理において検出されている現在の共振周波数と、温度センサ３３によって検出されている現在の温度とが取得される（Ｓ４５）。取得された共振周波数と温度とが対応付けられて、フラッシュメモリ５４の変化量パラメータテーブル（図８参照）に記憶され、変化量パラメータテーブルが更新される（Ｓ４６）。ＣＰＵ１１１は、変化量パラメータテーブルに記憶させてから所定時間経過したデータを削除する。従って、変化量パラメータテーブル内のパラメータは、経時変化等の影響も含む適切なパラメータとなる。処理はＳ４２の判断へ戻る。
【００６３】
ユーザによる駆動停止指示が入力されると（Ｓ４３：ＹＥＳ）、Ｓ４５の処理と同様に、追従処理において検出されている現在の共振周波数と、温度センサ３３によって検出されている現在の温度とが取得される（Ｓ４８）。取得された共振周波数および温度が、前回停止直前データ（図９参照）としてフラッシュメモリ５４に記憶される。垂直走査ミラー２１の駆動が停止されて、処理は図６に示す駆動処理へ戻り、駆動処理は終了する。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の固有の共振周波数を起動時の駆動周波数として、垂直走査駆動部２３による垂直走査ミラー２１の揺動動作を起動する。次いで、垂直走査ミラー２１の駆動周波数を線形領域へ向けて順次変化させていき、振れ角の増減の変曲点Ｃに達したら、駆動周波数の増減の方向を切り替える。その後、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を変化させている間に振れ角が最大となる駆動周波数を、垂直走査ミラー２１の共振周波数として計測し、計測した共振周波数を駆動周波数に設定して垂直走査ミラー２１を駆動する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、使用環境の変化による共振周波数の変動を考慮して広い範囲で共振周波数を探索する必要はない。さらに、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を順次変化（上記実施の形態では「上昇」）させた場合の跳躍周波数Ｂをあらかじめ計測しておく必要がない。よって、ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の共振周波数を短時間で容易に計測し、計測した共振周波数をその後の駆動周波数とすることができる。
【００６５】
上記実施の形態で用いられている垂直走査ミラー２１はメタルＭＥＭＳである。メタルＭＥＭＳを用いると、駆動周波数を徐々に下降させる場合の跳躍周波数Ａは、駆動周波数を徐々に上昇させる場合の跳躍周波数Ｂよりも低くなる。共振周波数は、駆動周波数を徐々に下降させた場合における跳躍周波数Ａと跳躍周波数Ｂの間に存在する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を増加させた後に減少させることによって、垂直走査ミラー２１の特性に応じた適切な方法で共振周波数を計測することができる。
【００６６】
ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の温度と、温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータと、前回停止直前データ（図８参照）とを用いて、起動用共振周波数を算出する。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、温度変化および経時変化の影響を受けて共振周波数が変化した場合でも、最適な駆動周波数から計測処理を開始することができる。共振周波数の計測に失敗する可能性も低い。
【００６７】
ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を順次下降させて共振周波数を計測する場合、振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の下降量Ｙを小さくする。その結果、共振周波数をより正確に素早く計測し、最適な駆動周波数を設定することができる。また、ヘッドマウントディスプレイ１は、駆動周波数を順次上昇させて変曲点Ｃを検出する場合、振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の上昇量Ｘを小さくする。その結果、変曲点Ｃをより正確に素早く計測することができる。
【００６８】
ヘッドマウントディスプレイ１は、垂直走査ミラー２１の共振周波数に応じて、最適な駆動周波数で垂直走査ミラー２１を駆動しつつ、垂直走査ミラー２１の振れ角を調整することができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ１は、共振周波数に応じて的確に垂直走査ミラー２１を駆動することができる。
【００６９】
上記実施の形態において、垂直走査ミラー２１が本発明の「走査ミラー」に相当する。垂直走査駆動部２３が本発明の「駆動手段」に相当する。駆動信号コントローラ１１のＣＰＵ１１１が、本発明の「駆動制御手段」として機能する。図６のＳ４，Ｓ１２等で、ＢＤセンサ３１が出力するＢＤ信号に基づいて垂直走査ミラー２１の振れ角を検出するＣＰＵ１１１が、本発明の「検出手段」として機能する。図６のＳ２で垂直走査ミラー２１の揺動動作を起動するＣＰＵ１１１が「起動手段」として機能する。図６のＳ３で駆動周波数を順次変化させるＣＰＵ１１１が「第一周波数変化手段」として機能する。図６のＳ１１で駆動周波数を順次変化させるＣＰＵ１１１が「第二周波数変化手段」として機能する。図６のＳ１３，Ｓ２１，Ｓ２２で共振周波数を計測して駆動周波数を設定するＣＰＵ１１１が「共振周波数設定手段」として機能する。
【００７０】
図７のＳ３３で垂直走査ミラー２１の温度を取得するＣＰＵ１１１が「温度取得手段」として機能する。図７のＳ３４で、起動時の駆動周波数である計測開始周波数を算出するＣＰＵ１１１が、「算出手段」として機能する。図６のＳ２３で垂直走査ミラー２１の振れ角を調整するＣＰＵ１１１が「振幅調整手段」として機能する。
【００７１】
図６のＳ２で垂直走査ミラー２１の揺動動作を起動する処理が「起動ステップ」に相当する。図６のＳ３で駆動周波数を順次変化させる処理が「第一周波数変化ステップ」に相当する。図６のＳ１１で駆動周波数を順次変化させる処理が「第二周波数変化ステップ」に相当する。図６のＳ１３，Ｓ２１，Ｓ２２で共振周波数を計測して駆動周波数を設定する処理が「共振周波数設定ステップ」に相当する。
【００７２】
本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。まず、メタルＭＥＭＳ以外の走査ミラーを用いた場合、駆動周波数と振れ角との間の特性は、図５のグラフで例示した特性とは異なる場合がある。例えば、メタルＭＥＭＳの代わりに所謂シリコンＭＥＭＳを垂直走査ミラー２１として使用すると、駆動周波数と振れ角との間の特性は、図５のグラフにおける駆動周波数の正負の方向を反転させた形状となる。
【００７３】
シリコンＭＥＭＳの構造については、例えば特開２００３−５７５８６に例示されている。シリコンＭＥＭＳは、走査ミラーを基体に対し揺動可能に支持する捻りバネ部を有し、その捻りバネ部の少なくとも一部に設けられた振動体を振動させることで捻りバネ部を振動させ、その結果、走査ミラーを揺動させて光を走査する。より詳細には、シリコンＭＥＭＳは、基体、振動体、第一の捻りバネ部、および１対の第二の捻りバネ部で構成される。第二の捻りバネ部は、基体に支持されており、且つ、該基体に跨ぐように設けられた振動体によって振動する。第二の捻りバネ部は第一の捻りバネ部に連結しており、該第一の捻りバネ部に振動を伝える。第一の捻りバネ部では、第二の捻りバネ部から伝わった振動によって捻れ変位が発生し、第一の捻りバネ部に連結支持される走査ミラーが揺動する。振動体は、シリコンによって形成することが一般的である。
【００７４】
シリコンＭＥＭＳを用いた場合、駆動周波数と振れ角との関係を示すグラフは、図５に例示したグラフの左右が反転したような形状となる。この場合でも、図６から図１３を参照して説明した各種処理において上昇と下降とを入れ替えるだけで、上記実施の形態と同様に共振周波数を計測することができる。例えば、シリコンＭＥＭＳを用いた場合、図６のＳ３では駆動周波数を順次下降させればよい。Ｓ７では、増加割合が大きくなる程、駆動周波数の１回の下降量が小さくなるように、下降量を決定すればよい。Ｓ１１では駆動周波数を順次上昇させればよい。Ｓ１５では、増加割合が小さくなる程、駆動周波数の１回の上昇量が小さくなるように、上昇量を決定すればよい。つまり、アップスイープおよびダウンスイープのいずれを先に実行するかは、使用する走査ミラーの種類に応じて適宜決定すればよい。
【００７５】
上記実施の形態は他の変更も可能である。例えば、上記実施の形態では、網膜走査型のヘッドマウントディスプレイ１を例示した。しかし、レーザ光を走査ミラーの共振揺動により主走査方向に走査させて画像を表示する画像表示装置であれば、本発明を適用できる。また、図６等に示した駆動処理を、画像表示装置に接続されたＰＣ等の外部機器が行い、外部機器が画像表示装置の動作を制御してもよい。変化量パラメータテーブル（図８参照）、前回停止直前データ（図９参照）等を記憶する記憶装置は、フラッシュメモリ５４以外の記憶装置に変更できることは言うまでもない。主走査方向を水平方向、副走査方向を垂直方向としてもよい。
【００７６】
図７のＳ３４に示す計測開始周波数の決定方法は変更できる。例えば、ヘッドマウントディスプレイ１は、図８に示す変化量パラメータテーブルにおいて、垂直走査ミラー２１の現在の温度に対応付けられている共振周波数を取得し、計測開始周波数として決定してもよい。図８に示す変化量パラメータテーブルを更新せずに、パラメータを固定値としてもよい。
【００７７】
上記実施の形態のヘッドマウントディスプレイ１は、振れ角の増加割合に応じて、駆動周波数の上昇量Ｘおよび下降量Ｙを決定する。しかし、駆動周波数の上昇量Ｘおよび下降量Ｙの決定方法は変更できる。例えば、一定の計測精度の低下を許容できる場合には、上昇量Ｘおよび下降量Ｙの少なくとも一方を固定値としてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１ ヘッドマウントディスプレイ
１１ 駆動信号コントローラ
２１ 垂直走査ミラー
２３ 垂直走査駆動部
３１ ＢＤセンサ
３３ 温度センサ
３６ 垂直駆動信号
５４ フラッシュメモリ
１１１ ＣＰＵ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、
前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、
振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、
前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域と
が現れる光走査装置であって、
前記駆動制御手段は、
起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動手段と、
前記起動手段によって前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて一方向に順次変化させる第一周波数変化手段と、
前記第一周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化手段によって変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化手段と、
前記第二周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定手段と
を備えたことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記走査ミラーを支持する捻れ梁部と、
前記捻れ梁部を支持する基板とをさらに備え、
前記駆動手段は、前記基板に設けられ、電圧または磁界の印加によって振動することで前記基板に板波を誘起して前記ミラー部を揺動させる振動体であって、
前記第一周波数変化手段は駆動周波数を順次増加させ、
前記第二周波数変化手段は駆動周波数を順次減少させることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記駆動制御手段は、
前記走査ミラーの温度を取得する温度取得手段と、
前記走査ミラーの温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータと、前記温度取得手段によって取得された前記走査ミラーの温度と、前記計測手段によって前回計測された共振周波数とを用いて、前記起動用共振周波数を算出して設定する算出手段とをさらに備え、
前記起動手段は、前記算出手段によって設定された前記起動用共振周波数で前記駆動手段を起動することを特徴とする請求項１または２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第二周波数変化手段は、駆動周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項５】
前記第一周波数変化手段は、周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項６】
前記駆動制御手段は、
前記共振周波数設定手段によって共振周波数が駆動周波数に設定された場合に、前記駆動信号の振幅を制御して前記走査ミラーの振れ角を所定条件に応じて調整する振幅調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項７】
揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、
前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、
振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、
前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域と
が現れる光走査装置の前記駆動制御手段によって実行される共振周波数設定方法であって、
起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動ステップと、
前記起動ステップにおいて前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて一方向に順次変化させる第一周波数変化ステップと、
前記第一周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化ステップにおいて変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化ステップと、
前記第二周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定ステップと
を備えたことを特徴とする共振周波数設定方法。
【請求項１】
揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、
前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、
振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、
前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域と
が現れる光走査装置であって、
前記駆動制御手段は、
起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動手段と、
前記起動手段によって前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて一方向に順次変化させる第一周波数変化手段と、
前記第一周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化手段によって変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化手段と、
前記第二周波数変化手段が駆動周波数を順次変化させている場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定手段と
を備えたことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記走査ミラーを支持する捻れ梁部と、
前記捻れ梁部を支持する基板とをさらに備え、
前記駆動手段は、前記基板に設けられ、電圧または磁界の印加によって振動することで前記基板に板波を誘起して前記ミラー部を揺動させる振動体であって、
前記第一周波数変化手段は駆動周波数を順次増加させ、
前記第二周波数変化手段は駆動周波数を順次減少させることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記駆動制御手段は、
前記走査ミラーの温度を取得する温度取得手段と、
前記走査ミラーの温度に応じた共振周波数の変化量を示すパラメータと、前記温度取得手段によって取得された前記走査ミラーの温度と、前記計測手段によって前回計測された共振周波数とを用いて、前記起動用共振周波数を算出して設定する算出手段とをさらに備え、
前記起動手段は、前記算出手段によって設定された前記起動用共振周波数で前記駆動手段を起動することを特徴とする請求項１または２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第二周波数変化手段は、駆動周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が小さい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項５】
前記第一周波数変化手段は、周波数を変化させることで増加する前記走査ミラーの振れ角の増加割合が大きい程、駆動周波数の１回の変化量を小さくすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項６】
前記駆動制御手段は、
前記共振周波数設定手段によって共振周波数が駆動周波数に設定された場合に、前記駆動信号の振幅を制御して前記走査ミラーの振れ角を所定条件に応じて調整する振幅調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光走査装置。
【請求項７】
揺動軸回りに揺動することでレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段に駆動信号を供給して前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記走査ミラーの振れ角を検出する検出手段とを備え、
前記走査ミラーの駆動周波数を変化させた場合に、
振れ角が線形的に変化する駆動周波数の領域である線形領域と、
前記走査ミラーの共振周波数を含み、且つ振れ角が非線形的に変化する駆動周波数の領域である非線形領域と
が現れる光走査装置の前記駆動制御手段によって実行される共振周波数設定方法であって、
起動時点において予め設定された起動用共振周波数を起動時の駆動周波数として前記駆動手段を起動し、前記走査ミラーの揺動を開始させる起動ステップと、
前記起動ステップにおいて前記駆動手段が起動された場合に、前記走査ミラーの駆動周波数を前記起動用周波数から前記線形領域に向けて一方向に順次変化させる第一周波数変化ステップと、
前記第一周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が増加から減少へ変化することを契機として、前記第一周波数変化ステップにおいて変化していた方向とは逆の方向に駆動周波数を順次変化させる第二周波数変化ステップと、
前記第二周波数変化ステップにおいて駆動周波数が順次変化している場合に、前記検出手段によって検出された振れ角が最大となる駆動周波数を前記走査ミラーの共振周波数として計測し、その後の駆動周波数とする共振周波数設定ステップと
を備えたことを特徴とする共振周波数設定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１１８２９０（Ｐ２０１２−１１８２９０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７８１２（Ｐ２０１０−２６７８１２）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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