JP2007010823A - 駆動ミラー及び光走査光学装置並びに画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源から発せられた光ビームを走査できるように、ミラーが回転可能に設けられる駆動ミラーにおいて、ミラー速度を高速にし、ミラーの振れ角を増大しても装置耐久性の要求を満足できる駆動ミラーを提供する。また、そのような駆動ミラーを備える光走査光学装置及び画像表示装置を提供する。
【解決手段】 駆動ミラー２２は、ミラー部２４と、ミラー部２４を保持する梁２５と、梁２５を支える固定枠２６と、梁２５を回転するために設けられた腕部２７ａ〜２７ｄと、腕部２７ａ〜２７ｄに設けられる圧電膜２８とで構成される。なお、腕部２７ａと腕部２７ｂ、及び腕部２７ｃと腕部２７ｄは、それぞれ一対で駆動腕２９ａ、２９ｂを構成する。圧電体２８に電圧が印加されると圧電体２８の伸縮と伴に駆動腕２９ａ、２９ｂが変位し、梁２５に回転力が発生される。
【選択図】 図６

Description

本発明は、プロジェクタやレーザビームプリンタ等に用いられる光源からの光を走査する駆動ミラーに関し、より詳細には、１次元の光走査を高速に行うことが可能な小型駆動ミラーに関する。また本発明は、そのような駆動ミラーを備えることにより、所定の方向に対して光を高速に走査することが可能で、また、装置全体のサイズを小型にできる光走査光学装置に関する。更に本発明は、そのような駆動ミラーや光走査光学装置を備える画像表示装置に関する。

画像表示装置等においては、スクリーン等に映像を映し出すにあたって、光源からの光ビームを２次元に走査する。この点、光ビームを２次元に走査する方法としては、光ビームを１次元に走査する２つのガルバノミラーを組み合わせる方法や、或いは２つのポリゴンミラーを組み合わせる方法等が知られている。

しかし、２つのガルバノミラー等を組み合わせて光源からの光ビームを走査する方式の場合、画像表示装置の装置全体の大きさが大きくなるという問題がある。また、２つのガルバノミラー等の位置関係を精密に調整する必要があるために設計が非常に難しいという問題がある。

このため、例えば特許文献１においては、レーザ光を反射し、Ｘ軸、Ｙ軸方向に変位可能なシリコン基板で形成されたミラー部と、ミラー部を両側から支持するシリコン基板で形成された梁部と、を備え、ミラー部を静電方式で駆動する２次元走査型の光スキャナが提案されている。また、特許文献２においは、Ｘ、Ｙ方向に光走査可能で、ミラーを電磁駆動方式で走査する２次元ＭＥＭＳスキャナが紹介されている。そして、これらの光走査装置を用いれば、画像表示装置等の装置サイズを小さくすることが可能となる。

しかしながら、これらの２次元走査型の光スキャナでは、例えば光源からの光ビームを水平方向と垂直方向に走査する場合、水平方向と垂直方向の駆動方式が同一であるために、水平方向と垂直方向で走査速度に大きな差を設けることが難しい。このため、この２次元走査型の光スキャナを用いて、例えばスクリーン等の表示部に画像を表示する場合、垂直方向の解像度について高解像度を得ることは難しい。また、特に静電方式で駆動する場合には、発生力が小さいために大きなミラーを駆動するのが難しいという問題もある。更に、このような２次元走査光スキャナは、ジンバル方式で１枚のウェハーから作製されるが、この場合、作製プロセスが複雑になるという問題もある。

他の２次元光走査装置としては、特許文献３に電磁駆動方式の１次元光走査装置を別体の駆動装置で、回転駆動、直線駆動、及び揺動駆動することにより、光源からの光ビームを２次元走査する装置が提案されている。これによると、光の走査方向によって駆動方式が異なるため、水平方向と垂直方向で走査速度に差をつけることは可能となる。しかしながら、１次元光走査装置が電磁駆動方式や静電方式で駆動される場合、ミラーの走査速度やミラーのサイズ等について制約が大きく、例えば高解像度の映像を得ようとした場合に問題が生じる場合がある。

この点、特許文献４においては、光走査装置の駆動方式として圧電体を用いた駆動方式とし、ばね部の構成に工夫を加えることで、反射ミラー部の共振周波数を高い周波数で維持しつつ、十分なねじれ角を得ることができる１次元の光走査を行う高速光走査装置が提案されている。この装置を用いると、ミラーサイズが１ｍｍ×１ｍｍでミラー部の走査周波数２５ｋＨｚを達成している。しかしながら、特許文献４に提案される高速光走査装置の場合、ミラーサイズを大きくすると大きな周波数を達成できず（この点については後述する。）、ミラー速度、ミラー角度、光走査装置自体の耐久性の全てを満足する構成の光走査装置を得ることは難しいという問題がある。
特開平６−１８０４２８号公報 特表２００５−５０２９１０号公報 特開２００４−４２７６号公報 特開２００４−１７７５４３号公報

以上の問題点を鑑みて、本発明の目的は、光源から発せられた光ビームを走査できるように、ミラーが回転可能に設けられる駆動ミラーにおいて、ミラー速度を高速にし、ミラーの振れ角を増大しても装置耐久性の要求を満足できる駆動ミラーを提供することである。また、本発明の他の目的は、ミラーが高速度で回転し、ミラーの振れ角が大きく、耐久性も満足できる駆動ミラーを備え、所定の方向に高速に光走査ができる小型な光走査光学装置を提供することである。更に本発明の目的は、２次元に光走査を行え、２つの走査方向の走査速度に大きな差を設けられる小型の光走査光学装置を提供することである。更に、本発明の他の目的は、高解像度の画像を表示できる小型の画像表示装置を提供することである。

上記目的を達成するために第１の発明の駆動ミラーは、光を反射する反射面を設けたミラー部と、前記ミラー部を保持する梁と、前記梁を固定する固定部と、前記梁を圧電素子の伸縮により回転させる駆動部と、を備える駆動ミラーにおいて、前記駆動部は、前記梁を挟むように前記梁に連結される２本の腕部から成る駆動腕を少なくとも１本有し、前記腕部は前記梁と略垂直に配置され、前記腕部それぞれには前記圧電素子が設けられることを特徴としている。

また、第２の発明の駆動ミラーは、上記第１の発明の構成において、前記圧電素子は、前記腕部が前記梁を挟む側の裏面側に設けられることを特徴としている。

また、第３の発明の駆動ミラーは、上記第１又は第２の発明の構成において、前記腕部は、前記反射面と略平行に設けられることを特徴としている。

また、第４の発明の駆動ミラーは、上記第１乃至第３のいずれかの発明の構成において、前記２本の腕部は、前記梁の断面中心に対して略点対称に設けられることを特徴としている。

また、第５の発明の駆動ミラーは、上記第１乃至第４のいずれかの発明の構成において、前記駆動部は、前記駆動腕を２つ有し、前記駆動腕は前記ミラー部を挟んで対称に設けられることを特徴としている。

また、第６の発明の駆動ミラーは、上記第１乃至第５のいずれかの発明の構成において、前記固定部は、前記ミラー部を囲むように配置され、前記腕部の一端は前記固定部に連結されることを特徴としている。

また、第７の発明の駆動ミラーは、上記第１乃至第６のいずれかの発明の構成において、前記ミラー部は、共振により振動するように設けられていることを特徴としている。

また、第８の発明の光走査光学装置は、上記第１乃至第７のいずれかの発明の構成の駆動ミラーを備えることを特徴としている。

また、第９の発明の光走査光学装置は、光源と、該光源から出射された光を平行光に変換するコリメート光学系と、該コリメート光学系を通過した光を反射する反射面が設けられるミラー部を駆動することにより光を２次元的に走査する光走査部と、該光走査部で走査された光を表示部へと導く投影光学系とを備える光走査光学装置において、前記光走査部の２次元的な光走査は、前記ミラー部を、前記反射面の略中心を通り前記反射面に平行で互いに直交する２つの回転軸を中心に回転することによって行われ、前記回転軸による回転駆動のうち一方は、前記ミラー部を有し、１次元に光走査可能な駆動ミラーで行い、他方は前記駆動ミラー全体を一体で回転する全体駆動装置を用いて行われることを特徴としている。

また、第１０の発明の光走査光学装置は、上記第９の発明の構成において、前記駆動ミラーは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動ミラーであることを特徴としている。

また、第１１の発明の光走査光学装置は、上記第９又は第１０の発明の構成において、前記全体駆動装置は、ステップ駆動することを特徴としている。

また、第１２の発明の光走査光学装置は、上記第１１の発明の構成において、前記全体駆動装置は前記駆動ミラーと、前記駆動ミラーに連結され、前記駆動ミラーを回転可能にする回転軸と、該回転軸の軸受けと、前記回転軸を回転駆動させる回転駆動部と、を備え、前記回転駆動部は、ベース上に固定され所定の位相差をもって伸縮振動する第１変位部及び第２変位部と、両変位部を連結して楕円回転を発生しつつ前記回転軸に押圧されるチップ部とから成ることを特徴としている。

また、第１３の発明の光走査光学装置は、上記第１２の発明の構成において、前記チップ部が楕円回転を１回転する際に前記回転軸が回転する回転量をＡ、前記全体駆動装置の駆動により光を走査して、その光走査方向に前記表示部における画像を１画素分移動するのに必要な前記回転軸の回転量をＢとした時に、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴としている。
Ｂ／Ａ＞３ ・・・（Ａ）

また、第１４の発明の光走査光学装置は、上記第９乃至第１３のいずれかの発明の構成において、前記投影光学系は、前記光走査部が光走査する２方向のそれぞれで射影方式が異なるように設けられていることを特徴としている。

また、第１５の発明の光走査光学装置は、上記第１４の発明の構成において、前記射影方式は、前記投影光学系の焦点距離をｆ（ｍｍ）、前記表示部の中心に向かう光束の中心光線を光軸とし、前記ミラー部で反射され前記投影光学系へ入射する入射光を、前記光軸を含み前記２方向のうち前記駆動ミラーによって光走査を行う第１の方向に平行な面に投影した場合に、投影した光が前記光軸となす角をθ（ｒａｄ）、前記θがとり得る値の最大値をθｍａｘ、前記入射光を、前記光軸を含み前記２方向のうち前記第１の方向と異なる第２の方向に平行な面に射影した場合に、射影した光が前記光軸となす角をφ（ｒａｄ）、前記表示部上において、前記表示部の中心を通る前記第１の方向と直交する直線と前記入射光が前記表示部へ投影されて作る像との距離をｙ１（ｍｍ）、前記表示部の中心を通る前記第２の方向と直交する直線と前記入射光が前記表示部へ投影されて作る像との距離をｙ２（ｍｍ）、ａとｋを所定の係数とした時に、前記第１の方向と前記第２の方向への射影方式はそれぞれ次の式（Ｂ）、（Ｃ）で表されることを特徴としている。
ｙ１＝ａ・ａｒｃｓｉｎ（ｋ・θ／θｍａｘ） ・・・（Ｂ）
ｙ２＝ｆ・φ ・・・（Ｃ）

また、第１６の発明の光走査光学装置は、上記第１４又は第１５の発明の構成において、前記投影光学系には、アナモルフィック非球面レンズ又は自由曲面レンズが使用されることを特徴としている。

また、第１７の発明の光走査光学装置は、上記第９乃至第１６のいずれかの発明の構成において、前記光源と前記光走査部との間に色合成プリズムが配置されていることを特徴としている。

また、第１８の発明の画像表示装置は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動ミラーを備えることを特徴としている。

また、第１９の発明の画像表示装置は、画像信号を入力する画像信号入力部と、該画像信号入力部に入力された画像信号を輝度信号に変換する輝度信号変換部と、該輝度信号変換部で変換された輝度信号に基づいて光源の強度を制御する光源輝度制御部と、前記光源から出射される光の周波数を変調する光源周波数変調部と、を有する光制御部と、請求項９乃至請求項１７のいずれかに記載の光走査光学装置とを備え、前記表示部の水平方向の光走査は前記駆動ミラーを用い、前記表示部の垂直方向の光走査は前記全体駆動装置を用い、前記水平方向の走査速度が前記垂直方向の走査速度よりも高速であることを特徴としている。

また、第２０の発明の画像表示装置は、上記第１９の発明の構成において、前記水平方向の走査速度をＶｘ、前記垂直方向の走査速度をＶｙとした時に、ＶｘとＶｙが以下の式（Ｄ）を満たすことを特徴としている。
Ｖｘ／Ｖｙ＞５００ ・・・（Ｄ）

また、第２１の発明の画像表示装置は、上記第１９又は第２０の発明の構成において、前記垂直方向の走査周波数が５０Ｈｚより大きいことを特徴としている。

また、第２２の発明の画像表示装置は、上記第１９乃至第２１のいずれかの発明の構成において、前記光源周波数変調部は、前記表示部の前記水平方向の中心側と端部側とで前記光源から出射される光の周波数が異なるように変調することを特徴としている。

第１の発明の構成によれば、ミラー部が回転可能に設けられた駆動ミラーにおいて、ミラー部を回転する駆動部が圧電駆動方式のため、高速にミラーを回転することが可能となる。また、圧電素子が駆動した際の装置にかかる負荷を分散でき、更に耐久性確保のために梁の幅を増大しても、ミラー部を回転するのに必要な駆動部の変位量が変わらない構成となっているので、ミラーの走査速度の高速化、ミラーの振れ角の増大、装置の高耐久性の全てを満足する駆動ミラーを実現することができる。

また、第２の発明の構成によれば、上記第１の発明の構成の駆動ミラーにおいて、圧電素子を容易に配置できる構成となり、しかも梁を挟む側に配置する場合より大きな圧電素子を配置できるために、ミラー部を駆動する駆動力を大きくできる。

また、第３の発明の構成によれば、上記第１又は第２の発明の構成の駆動ミラーにおいて、駆動ミラーを平らな形状とできるために、駆動ミラー全体の大きさをコンパクトにでき、更にプロセス加工し易くなる。

また、第４の発明の構成によれば、上記第１乃至第３のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、ミラー部を保持する梁を安定して支えることができる構造とできるため、耐久性に優れる駆動ミラーを実現できる。

また、第５の発明の構成によれば、上記第１乃至第４のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、ミラー部を保持するために設けられた梁を回転する駆動部をミラー部の両側に対称に設けているために、各駆動部に印加する電圧を減らすことができ、各駆動部にかかる負荷を低減することが可能となる。また、駆動ミラーの構造が安定した形状となるために、耐久性の向上を図ることが可能となる。

また、第６の発明の構成によれば、上記第１乃至第５のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、駆動部を取り付けるための固定部分を別途設ける必要がなく、余計な部品点数の増加を避けることが可能となる。また、駆動ミラーを平らに構成できるために駆動ミラー全体の大きさをコンパクトにでき、更にプロセス加工し易い形状となる。

また、第７の発明の構成によれば、上記第１乃至第６のいずれかの発明の構成の駆動ミラーにおいて、ミラー部の振動が共振であるために、低消費電力でミラー部の振れ角が大きい駆動ミラーを得ることが可能となる。

また、第８の発明の構成によれば、光源から発せられた光ビームを走査する光走査装置において、ミラー部が高速度に回転し、ミラー部の振れ角が大きく、高耐久性を有する１次元に走査可能な駆動ミラーを備えているために、高速化に対応した光走査装置を得ることが可能となる。

また、第９の発明の構成によれば、光源から発せられた光ビームを２次元的に光走査し、投影光学系を用いて表示部へ光を導く光走査光学装置において、光走査部が光走査を行う２つの方向で、光走査の駆動方式が異なるために、２つの方向の光走査速度に大きな差を設けることが可能となる。また、駆動方式が別駆動であっても、２方向への光走査を反射面の中心を通り、反射面に平行で互いに直行する２つの軸を中心にミラー部を回転する方式で行っているので、反射面付近に瞳を配すことができ光走査光学装置全体が大型にならない。

また、第１０の発明の構成によれば、上記第９の発明の構成の光走査光学装置において、光走査部で光走査する２方向のうち一方の光走査は高速に回転できる駆動ミラーを用いることになるために、各方向の光走査速度に大きな差を設けることが容易となる。

また、第１１の発明の構成によれば、上記第１０の発明の構成の光走査光学装置において、駆動ミラーが一方の方向に所定量走査するごとに、全体駆動装置を用いて他の方向に走査する構成が実現できる。

また、第１２の発明の構成によれば、上記第１１の発明の構成の光走査光学装置において、全体駆動装置のサイズをコンパクトに設計できるために、２次元型の光走査装置全体の大きさを小型化できる。

また、第１３の発明の構成によれば、上記第１２の発明の構成の光走査光学装置において、全体駆動装置による光走査を小刻みに段階的に行うように設定しているので、全体駆動装置のチップ部が１回の回転で回転軸を回転する回転量に誤差が生じても、その誤差の修正が行い易い。

また、第１４の発明の構成によれば、上記第９乃至第１３のいずれかの発明の構成の光走査光学装置において、光走査部が光を走査する２方向のそれぞれで光走査の駆動方式が異なる場合、スクリーン等の表示部に投影される画像に歪みが発生する場合があるが、その歪みを光学系により解消できる。

また、第１５の発明の構成によれば、上記第１４の発明の構成の光走査光学装置において、光走査部が走査する２方向の光の走査速度が一方の光走査が共振駆動、他方の光走査がステップ駆動の場合に発生する非対称歪みを、光学系により解消できる。

また、第１６の発明の構成によれば、上記第１４又は第１５の発明の構成の光走査光学装置において、部品点数を少なく光走査の駆動方式の違いによる歪みの解消が可能となる。また、自由曲面レンズを用いた場合には、上述の歪みに加えて、光走査を行うミラーに、有限角度をもって光を入射させる場合に発生することがある台形的な歪みの解消も可能となる。

また、第１７の発明の構成によれば、上記第９乃至第１６のいずれかの発明の構成の光走査光学装置において、異なる波長を有する光源が複数ある場合に、複数の光源から発せられる光の合成が可能となる。また、複数の光源から出射される、異なる波長の光ビームを少ない部品点数で合成できる。

また、第１８の発明の構成によれば、上記請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動ミラーを備えているために、高解像度の画像表示装置を得ることが可能となる。

また、第１９の発明の構成によれば、上記第９乃至第１７のいずれかの発明の構成の光走査装置を備えているために、高解像度で小型な画像表示装置を得ることが可能となる。

また、第２０の発明の構成によれば、上記第１９の発明の構成において、水平方向の光走査速度が垂直方向の光走査速度に比べて大きく設定されているために、垂直方向の解像度が増加し、ＶＧＡ（横６４０×縦４８０ドットの解像度）やＨＤＴＶ（横１９２０×縦１０８０ドットの解像度）の画質を得ることが可能となる。

また、第２１の発明の構成によれば、上記第１９又は第２０の発明の構成において、画像の表示周期（フレームレート）を短く設定しているために、良好な画像が得られ、特に動画の動きを滑らかにできる。

また、第２２の発明の構成によれば、上記第１９乃至第２１のいずれかの発明の構成において、光学系にのみならず電気制御により画像の歪みの補正が可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の駆動ミラー及び光走査光学装置を備える画像表示装置の実施形態の一例を示したものである。なお、図１は本実施形態の画像表示装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、画像表示装置１は、例えばパソコンやテレビ等から出力される画像信号を入力し、その処理を行う光制御部２と、光制御部２から出力される信号を受けて光の走査を行い、例えばスクリーンや壁等の表示部１５に光を投光する光走査光学装置３から構成されている。

図２は、光走査光学装置３の外観を示す概略斜視図であり、図に示すように、光走査光学装置は、例えば直方体或いは立方体形状をしている。光走査光学装置３は超小型に構成することが可能で、例えば、図の縦、横、奥行き方向のそれぞれの長さを３０ｍｍ以内に設計することも可能である。

この光走査光学装置３は、図１に示すように、それぞれが赤色、緑色、青色（以下ＲＧＢと省略する）に対応する３つの光源４〜６と、色合成プリズム７と、コリメータレンズ８と、光走査部９と、投影光学系１０と、ミラー位置検知用光源１２と、ミラー位置検出手段１３と、光走査制御部１４とから構成される。

そして、ＲＧＢに対応する３つ光源４〜６から出射された光は、色合成プリズム７、コリメートレンズ８の順に通過し、光走査部９で光走査されて、投影光学系１０を透過して、例えばスクリーンや壁等の表示部１５に結像する。

次に、画像表示装置１における各部分の詳細について説明する。まず、光制御部２について図１及び図３を用いて説明する。なお、図３は、光制御部２の構成を示すブロック図である。図３に示すように光制御部２は画像信号入力部１６と輝度信号変換部１７と光源輝度制御部１８と、光源周波数変調部１９とを備えている。

画像信号入力部１６は、例えばパソコンやテレビ等のメディアから出力される画像信号を入力し処理する部分である。画像信号入力部１６に入力された画像信号は、輝度信号変換部１７に送られて、そこで輝度信号に変換される。光源輝度制御部１８は、輝度信号変換部１７で変換された輝度信号に基づいてＲＧＢ各光源４〜６が強度変調した光を発生できるように、ＲＧＢ各光源４〜６に駆動信号を供給する。なお、光源輝度制御部１８から供給された信号に基づく光源の強度変調は、光源へ供給される電流を直接変調することにより行われる。

光源周波数変調部１９は、光走査部９が光を走査する走査速度とスクリーン等の表示部１５に投影される画像の解像度との関係で、光源４〜６から出射される光の周波数を決定し、その信号を光源４〜６へ供給する。光制御部２はこの他にも、光走査部９が表示部１５の水平方向（図１の左右方向）と垂直方向（図１の紙面方向）に光走査する動きを制御する光走査制御部１４と接続されて、走査動作の同期に必要な同期信号を供給している。また、光制御部２はミラー位置検出手段１３とも接続されており、ミラー位置検出手段１３から供給される信号に基づいて、光源４〜６から光を出射するタイミングの制御も行っている。

次に光走査光学装置３の詳細について説明する。光源４〜６は、図１に示すように３つの光源が設けられており、例えば、光源４が赤色の半導体レーザダイオード、光源５が緑色の半導体レーザダイオード、光源６が青色の半導体レーザダイオードに対応する。そして、それぞれの半導体レーザダイオードの波長は、例えば、赤色が６６０ｎｍ、緑色が５３２ｎｍ、青色が４５０ｎｍに設定されている。

なお、本実施形態では、光源に半導体レーザダイオードを用いているがこれに限定される趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変更可能である。特に、緑色の半導体レーザダイオードは、入手困難であることから、緑色のみ半導体レーザで結晶を励起する方式のＤＰＳＳ（ＤｉｏｄｅＰｏｍｐｉｎｇＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ）レーザを外部変調器で変調するものを用いて構わない。また、赤色、緑色、青色の全ての色について、半導体レーザダイオードに代えて、発光ダイオード（ＬＥＤ）や固体レーザ等を光源に用いても構わない。ただし、光源のサイズは小さい方が好ましく、その点で半導体レーザダイオードが好ましい。

色合成プリズム７は、光源４〜６から出射されたレーザ光を合成する役割を果たし、光源４〜６から出射されたレーザ光はここで合成され、合成された色をスクリーン等の表示部１４に表示する。なお、本実施形態では、色合成プリズムを用いているがこれに限定される趣旨ではない。例えば、図４に示すようにダイクロイックミラー２０、２１を２つ用いて、赤色光を反射し緑色光を透過するダイクロイックミラー２０で赤色と緑色の光源４、５から出射されたレーザ光を合成し、その後、青色光を反射し、赤色光と緑色光は透過するダイクロイックミラー２１を用いて、先に合成されたレーザ光に青色の光源６から出射されたレーザ光を合成するような形態としても構わない。ただし、装置の部品点数を少なくすることと、装置全体のサイズを小さくできる点で色合成プリズム７を用いるのが好ましい。

コリメータレンズ８は、光源４〜６から出射され、色合成プリズム７を通過してきた発散光を平行光へ変換するレンズである。また、コリメータレンズ８は、投影光学系１０で発生する色収差を補正するようにピント位置が調整されている。

光走査部９は、コリメータレンズ９を透過してきたレーザ光を走査することができ、本実施形態においては、スクリーン等の表示部１５に対して水平方向（図１の左右方向）と垂直方向（図１の紙面方向）にレーザ光を走査する。図５は、本実施形態の光走査部９を示す概略斜視図である。図５に示すように、光走査部９は１次元に光を走査することができる駆動ミラー２２と、駆動ミラー２２全体を、回転軸３１を中心として一体で回転させる全体駆動装置２３とで構成される。

光走査部９による水平方向と垂直方向への光の走査は、駆動ミラー２２に備えられるミラー部２４を用いて行われる。すなわち、ミラー部２４は、駆動ミラー２２自身の駆動によって駆動ミラー２２が備える梁２５が回転されると伴に回転し、また、全体駆動装置２３によって駆動ミラー２２全体が回転されることによっても回転される。この時、梁２５と、全体駆動装置２３を回転する回転軸３１の中心線３１ａは、ミラー部２４の反射面（図の手前側）の略中心を通り、反射面に平行な面で互いが直交するように設定されている。このため、駆動ミラー２２による梁２５の回転によって、光を水平方向に走査できるように設定することで、全体駆動装置２３によって駆動ミラー２２全体を回転すると光が垂直方向に走査される。以下に、駆動ミラー２２と全体駆動装置２３の詳細について説明する。

まず、駆動ミラー２２の詳細について図６（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、図６（ａ）は、本実施形態の駆動ミラー２２の構成を示す概略図であり、ミラー部２４の光走査を行う反射面側から見た正面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡＡ'断面を図の左方向から見た図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）の固定枠２６を除いて図の下側から見た図である。

図６（ａ）及び図６（ｃ）に示すように、駆動ミラー２２は、ミラー部２４と、ミラー部２４を保持する梁２５と、梁２５を支える固定枠２６と、梁２５を回転するために設けられた腕部２７ａ〜２７ｄと、腕部２７ａ〜２７ｄに設けられる圧電膜２８とで構成される。なお、腕部２７ａと腕部２７ｂ、及び腕部２７ｃと腕部２７ｄは、それぞれ一対で駆動腕２９ａ、２９ｂを構成する。

ミラー部２４は、図６（ａ）に示されるように長方形又は正方形の矩形状に形成されており、固定枠２６のほぼ中央に配置されている。また、ミラー部２４の表面は、光を反射できるように例えば、ＡｕやＡｌ等の反射層２４ａ（図６（ｃ）参照）が設けられている。なお、本実施形態ではミラー部２４は矩形状としたがこれに限定される趣旨ではない。

梁２５は、図６（ａ）の左右方向に伸び、ミラー部２４の略中心を通るようにミラー部２４を支持しており、その両端は固定枠２６に固定されている。そして、この梁２５には腕部２７ａ〜２７ｄが、梁２５に対して略直交し、かつミラー部２４と略平行となるように取り付けられている。図６（ｂ）に示すように、駆動腕２９ａを形成する腕部２７ａと腕部２７ｂは、梁２５の断面方向の中心に対して略点対称に設けられている。この点は、駆動腕２９ｂを形成する腕部２７ｃと２７ｄについても同様である。また、駆動腕２９ａと駆動腕２９ｂは、ミラー部２４に対して対称位置に設けられている。

圧電膜２８は、腕部２７ａ、２７ｃについては、図６（ｃ）に示すように腕部の上面に設けられ、一方、腕部２７ｂ、２７ｄについては腕部の下面に設けられている。すなわち、駆動腕単位で見ると（例えば腕部２９ａの場合について説明）、腕部２７ａ、２７ｂが梁２５と繋げられる面と反対側の面に圧電膜２８が配置されている。腕部２７ａ〜２７ｄに配置される圧電膜２８としては、例えばＰＺＴ、ＺｎＯ、ＢＳＴ等が用いられる。なお、圧電膜２８は図示しない電極層に挟まれており、これにより電圧を印加されて伸縮する。

次に駆動ミラー２２の製造方法の一例を、図７を参照しながら説明する。図７は、駆動ミラー２２の製造方法を示す図であり、図６（ａ）のＢ−Ｂ鎖線に沿って駆動ミラーを切った断面図を図の下側から見た図である。なお、駆動ミラー２２の製法は、ここで示す方法に限定されないのは言うまでもない。

駆動ミラー２２は、例えばシリコン基材を用いて作製される。まず、シリコン基材表面及び裏面を、図６に示したミラー部２４と、梁２５と、腕部２７ａ〜２７ｄが形成されるようにフォトレジストとエッチングにより加工する（工程ａ、工程ｂ）。次に、シリコン基材表面側のミラー部２４に、例えばＡｕやＡｌ等の反射層２４ａを形成する（工程ｃ）。次に、シリコン基板の表面側に下電極層３０ｂ、圧電膜２８、上電極層３０ａの順に薄膜形成する（工程ｄ）。更に、シリコン基板の裏面側からも同様に、下電極層３０ｂから順に上電極層３０ａまで形成する（工程ｅ）。これにより、駆動ミラー２２が形成される。

なお、工程ｃから工程ｅの薄膜形成の方法は、スパッタリング法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法(ＡＤ法)などが挙げられるが、エアロゾルデポジション法が好ましい。これによれば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法に比べてエッチング工程等が省略でき、成膜速度の向上、工程短縮が可能となる。なお、エアロゾルデポジション法とは、あらかじめ他の手法で準備された微粒子、超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、減圧雰囲気下でノズルを通して基材に噴射して被膜を形成する技術のことを示している。

次に、駆動ミラー２２の動作について図８を用いて説明する。図８は、駆動ミラー２２の動きを説明するための模式図で、駆動腕２９ａの圧電膜２８に電圧が印加され、圧電膜２８が伸縮する様子を示している。図８（ａ）は、圧電膜２８に電圧が印加されておらず、ミラー部２４（図６参照）も静止した状態を示している。

図８（ｂ）は、電極３０ａ、３０ｂ（図７参照）間に電圧が印加されて、圧電体２８が伸びた様子を示している。圧電膜２８が伸びると腕部２７ａ、２７ｂにはそれぞれ引張り負荷が発生し、腕部２７ａ、２７ｂは図の矢印方向に伸びようとする。このため、腕部２７ａ、２７ｂに挟まれて存在する梁２５は、図の反時計回り方向に回転し、ミラー部２４も同時に同方向に回転する。

一方、図８（ｃ）は図８（ｂ）の場合と逆の電圧が印加され、圧電膜２８が縮んだ様子を示している。圧電膜２８が縮むと腕部２７ａ、２７ｂにはそれぞれ圧縮負荷が発生し、腕部２７ａ、２７ｂは図のように撓んだ状態になろうとする。このため、腕部２７ａ、２７ｂに挟まれて存在する梁２５は、図の時計回り方向へ回転し、ミラー部２４も同時に同方向に回転する。

電極に所定の周波数の電圧を印加すると圧電膜２８は伸び縮みを繰り返すことになるため、ミラー部２４は梁２５を中心に所定の角度だけプラス方向とマイナス方向に振れるように振動する。なお、本実施形態においては、ミラー部２４は共振するように設定されている。これにより、少ない消費電力で大きなミラー部２４の走査角度を大きくすることが可能となる。

本実施形態の駆動ミラー２２は、ミラー部２４の走査速度、走査角度及び耐久性の全てを高いレベル満足できる構造となっているが、この点について計算結果を用いて説明する。ここでは、便宜上、図９の楕円Ｃ、Ｄ、Ｅで示す部分をそれぞれ、第１トーションバー、第２トーションバー、第３トーションバーと表現する。また、計算に当たってはミラー部２４のサイズを図９に示すように、縦４ｍｍ、横３ｍｍとしている。なお、計算の比較として、図１０に示す特許文献４の構成の場合についても説明する。図１０の楕円Ｆ、Ｇ、Ｈで示す部分をそれぞれ、第１トーションバー、第２トーションバー、第３トーションバーと表現する。図１０におけるミラー部２４のサイズは図９の場合と同様である。

まず、本実施形態の駆動ミラー２２に関する計算について説明する。本実施形態の駆動ミラー２２の構成では、共振周波数ｆｎはミラーの慣性モーメントＪと、第１トーションバーのねじり剛性と、第２トーションバーの曲げ剛性を加算したばね剛性ｋから計算される。以下に関係式を示す。

ここでｋｎは振動係数、ｋ₃はねじり係数、Ｌ₁、ｔ₁、ｄ₁、Ｇはそれぞれ第１トーションバーの長さ、厚み、幅、横弾性係数、Ｌ₂、ｔ₂、ｄ₂、Ｅはそれぞれ第２トーションバーの長さ、厚み、幅、縦弾性係数、Ｍ、ａ、ｂはそれぞれミラーの重量、縦の長さ、横の長さを表す。なお、ここでトーションバーの長さとは、図９を紙面方向に見た場合の、トーションバーの長手方向の長さであり、幅は短いほうの長さである。また、トーションバーの厚みとは、トーションバーの紙面方向の長さである。

次に、ミラー部２４を所定の角度傾けるのに、第２トーションバーに加えるのに必要な力Ｆと第２トーションバーの変位量ΔＬ（図１１参照）の計算式、及び第２トーションバー上に配置される圧電膜２８の発生力Ｆ_Aと変位量ΔＬ_Aの計算式を示す。なお、ここでは計算を容易化するために、図１１に示すように圧電膜２８が梁２５方向に発生する力は、圧電膜２８が配置される全域で第２トーションバーに等分布の荷重が負荷されると仮定し、また、共振を利用することにより１０倍の変位量と発生力が得られると仮定している。なお、圧電膜２８の駆動でミラー部２４を所定の角度傾けることができる必要があるために、Ｆ＜Ｆ_A、ΔＬ＜ΔＬ_Aを満足する必要がある。

ここで、θはミラー部２４の回転角度、Ｉは第２トーションバーの断面２次モーメント、Ｌ_a、ｔ_a、ｄ_a、ｄ₃₁、Ｓ_11E、Ｖはそれぞれ圧電膜２８の長さ、厚み、幅、圧電歪定数、圧電膜２８に印加する電圧を表わす。なお、圧電膜２８の長さとは図９の上下方向の長さであり、幅とは左右方向の長さである。

ミラー部２４を所定の角度傾けた場合に発生する最大負荷部分は第１トーションバーのねじれ部分（図９の円Ｉで示す部分。）である。この部分にかかる最大ねじり応力（せん断応力）τｍａｘは以下の式で計算される。

ここで、ｋ₁はねじり係数を表わす。数１から数８の各式に 例えば、図１２に示す入力値を代入して計算すると、共振周波数ｆｎは６８．３ｋＨｚ、ミラー部２４を例えば１２．５°傾けるのに必要な変位量ΔＬは１０．７μｍ、必要な力Ｆは２８．９ｍＮと計算される。また、圧電膜２８が発生させる変位量ΔＬ_Aは２．６３ｍｍ、発生力Ｆ_Aは４３．３ｍＮとなり、Ｆ＜Ｆ_A、ΔＬ＜ΔＬ_Aを満足する。

更に、第１トーションバーに負荷される最大ねじり応力τｍａｘは３７１ＭＰａとなる。この点、トーションバーの素材であるシリコンの破壊強度は約２ＧＰａであるので耐久性も十分であると言える。以上の計算結果から、本実施形態の駆動ミラー２２は、走査速度、ミラー走査角度について高水準の要求を満たすことができ、且つ耐久性も兼ね備えた、優れた構成の駆動ミラーであると言える。

次に、特許文献４の構成について比較のために図１０を用いながら説明する。まず、特許文献４の構成の駆動ミラーの動作について簡単に説明する。この構成では、ミラー部２４の左右に存在するトーションバーの曲げ変形をねじれ変形に変換する方式でミラー部２４を振動させている。片側のトーションバーにのみ注目して説明すると、一対の第１トーションバーの片面（図１０では紙面手前側）それぞれには圧電膜２８が積層されており、各圧電膜２８に電圧を印加すると圧電膜２８が伸縮し、第１トーションバーが曲げ変形される。そして、一対の第１トーションバーのそれぞれに配置される圧電膜２８には、交互に伸び縮みするように各圧電膜２８に印加する電圧が設定されているため、第２、第３トーションバーを介して第１トーションバーに繋がるミラー部２４が振動する。

このように構成される場合においても、共振周波数ｆｎとミラー部２４の慣性モーメントＪはそれぞれ、数１と数３と同様である。ただし、ばね剛性ｋは第１トーションバーの曲げ剛性のみであるので、ばね剛性ｋは次式で表わされる。

その他については、本実施形態の場合と同様に求められる。なお、特許文献４の構成による場合、ミラー部２４を所定角度傾けた場合に発生する最大負荷部分は第１トーションバーの図１０の円Ｋで示した部分であり、ねじり応力と曲げ応力の合算値になる。この点、本実施形態の駆動ミラー２２が、ねじれ応力（図１０の円Ｉ部）と曲げ応力（図１０の円Ｊ部）が別々に位置に働くのとは異なる。

特許文献４の構成について計算した結果、本実施形態のようにミラー部２４の走査速度、走査角度、耐久性を高い水準で満足する解は得られず、走査速度で１０ｋＨｚ程度までしか得られない結果となった。この両者の差は、以下の点に起因すると考えられる。

本実施形態の駆動ミラー２２は、ミラー部２４の走査速度に関係するばね剛性が、第１トーションバーのねじり剛性と、第２トーションバーの曲げ剛性を加算する形で得られる。一方、特許文献４に示される構成の場合、ばね剛性は第１トーションバーの曲げ剛性のみで得られる。このため、本実施形態の駆動ミラー２２は、特許文献４の場合と異なり、トーションバーにかかる負荷を分散しながら走査速度を上げることが可能となる。従って、本実施形態の駆動ミラー２２の方が特許文献４の駆動ミラーに比べて耐久性の面で有利である。

また、本実施形態の駆動ミラー２２は、圧電膜２８が配置された第２トーションバーは、第１及び第３トーションバーを横から挟むような構成となっている。一方、特許文献４に示される構成では、圧電膜２８を配置された第１トーションバーが、第２、第３トーションバーと同一平面上に配置されている。

このため、特許文献４の場合は、ばねの剛性及び走査速度の両方を上げるために第１トーションバーの幅を増すと、第２トーションバーの長さを伸ばす必要が生じるために、第１トーションバーの変位量を大きくする必要が生じ、逆に第１トーションバーの負荷が増す。一方、本実施形態の駆動ミラー２２の場合には、耐久性確保のために第１トーションバーの幅を増しても、ミラー部２４を回転するために第２のトーションバーを変位する量は変わらず、耐久性の確保を図りながら走査速度を上げることが可能となる。従って、この点においても、本実施形態の駆動ミラー２２の方が特許文献４の駆動ミラーに比べて耐久性の面で有利である。

以上、本実施形態の駆動ミラー２２について説明したが、駆動ミラーの構成は本実施形態の構成に限る趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変形可能である。例えば、梁２５の数は２本以上でも構わず、駆動腕２９ａ、２９ｂ（図６参照）に配置される圧電膜２８の位置も梁２５がある側に設ける構成としても構わない。また、駆動腕２９ａ、２９ｂとミラー部２４を必ずしも平行に設ける必要もないなく、例えば、図６（ｂ）の図が時計回り方向に４５°回転したような構成としても構わない。但し、この場合には駆動腕２９ａ、２９ｂの端部を固定する固定部が別途必要となる。

更に、駆動腕２９ａ、２９ｂの数も２本に限らず、１本でも３本以上でも構わないし、駆動腕２９a、２９ｂの構成も例えば、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すような構成としても構わない。図１３（ａ）は、駆動ミラー２２の構成の変形例を示す概略図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の断面ＡＡ'を図の左方向から見た図である。図１３（ｃ）は図１３（ａ）の断面ＢＢ'を図の左方向から見た図である。

図１３に示す構成では、本実施形態の駆動ミラー２２における駆動腕２９ａの場合と異なり、駆動腕２９ａの腕部２７ａ、２７ｂが梁２５に対して線対称に設けられている。この点については駆動腕２９ｂも同様である。そして、この構成においては、ミラー部２４を回転する場合、本実施形態に示した駆動ミラー２２の場合と異なり、腕部２７ａ、２７ｃと腕部２７ｂ、２７ｄとで反対の極の電圧を印加する必要がある点で異なる。

以上、光走査部９を構成する駆動ミラー２２の構成の詳細について説明したので、次に光走査部９を構成する全体駆動装置２３の構成の詳細について説明する。図１４は全体駆動装置２３の構成を示す概略正面図である。

全体駆動措置２３は、駆動ミラー２２全体を回転させるための回転軸３１と、回転軸３１の軸受け３２と、回転軸３１を回転させる回転駆動部３３とで構成されている。そして、回転駆動部３３は、ベース３４と、第１の圧電素子３５と、第２の圧電素子３６と、第１の圧電素子３５と第２の圧電素子３６とを連結するチップ部３７で構成される。

第１及び第２の圧電素子３５、３６はベース３４に接着剤等により固定されている。そして、第１の圧電素子３５と第２の圧電素子３６は、ほぼ９０°の角度を持って固定されている。第１及び第２の圧電素子３４、３５を連結するチップ部３７の頂部は、回転軸３１に押圧されるために剛体で構成されている。なお、本実施形態では第１の圧電素子３５と第２の圧電素子３６が９０°の角度をもって固定されているが、これに限定される趣旨ではない。

図示しない制御回路により、第１の圧電素子３５と第２の圧電素子３６には、例えば、図１５に実線と点線で示すような９０°の位相差を持った電圧がそれぞれ印加されるようになっている。このため、第１及び第２の圧電素子３５、３６は９０°の位相差をもって伸縮振動を行い、これによりチップ部３７が例えば、図１６に示すようにＰ方向に楕円運動を行う。

本実施形態においては、チップ部３７は、例えば図１６において、楕円軌道中に示した矢印の部分を移動する時にのみ回転軸３１に押圧されるように設定されている。このため、チップ部３７が回転軸３１に押圧されている時にのみ回転軸３１は回転を行い、チップ部３７が回転軸３１から離れると回転はストップする。すなわち、回転軸３１の駆動はステップ駆動するように設定されている。

なお、本実施形態の全体駆動装置２３においては、駆動部３３を圧電素子により駆動する構成としているが、これに限定される趣旨ではない。例えば、圧電素子の代わりに磁歪素子やその他の電気・機械エネルギー変換素子を利用する構成としても構わない。また、回転軸３１にギヤを設けて、回転軸３１をステッピングモータで駆動する構成としても構わない。

以上により、光走査部９を構成する駆動ミラー２２と全体駆動装置２３の構成について説明したので、光走査部９の光の走査方法について説明する。光走査部９による光の走査は光走査制御部１４（図１参照）において制御される。そして、光走査制御部１４は、光制御部２（図１参照）からの信号や後述するミラー位置検出手段１３（図１参照）からの信号に基づいて、駆動ミラー２２と全体駆動装置２３の動作制御を行う。

上述のように、本実施形態の画像表示装置１においては、光走査部９での光の走査は、表示部１５（図１参照）に対して水平方向の光走査は駆動ミラー２２を駆動させることによって、垂直方向の光走査は全体駆動装置２３を駆動させることによって行われる。

なお、本実施形態においては、垂直方向の解像度を増加するために、水平方向の光の走査速度Ｖｘを垂直方向の光の走査速度Ｖｙよりもかなり大きく設定している。そして、この速度の差は、Ｖｘ／Ｖｙ＞５００を満たすのが好ましく、更にはＶｘ／Ｖｙ＞１０００を満たすのがより好ましい。これにより、ＶＧＡの画質（垂直方向の分解能４８０本）、更にはＨＤＴＶの画質（垂直方向の分解能１０８０本）を達成できる。

また、垂直方向の走査周波数は５０Ｈｚより大きく設定している。これにより表示部１５の表示周期が短くなり、動画の動きを滑らかにすることができる。

図１７は、光走査部９によってスクリーン等の表示部１５上を光が走査される様子を示した模式図である。本実施形態においては、表示部１５の左上から光走査が行われるように設定されている。光走査のスタート位置（図の円Ｓで表示される部分）は表示部１５の外側に配置されている。

光走査が始まると、駆動ミラー２２によるミラー部２４の振動により、まず図の右方向に向かって水平に光が走査される。そして、光が表示部１５の外に出ると、全体駆動装置２３が回転軸３１（図５参照）をステップ駆動して光が図の下方向に走査される。この時、駆動ミラー２２によるミラー部２４の駆動は続いているために、ミラー部２４は駆動ミラー２２と全体駆動装置２３の両方で駆動されることになり、例えば図に円Ｔで示すように弧を描くような形で光走査される。

なお、この際の全体駆動装置２３による回転軸３１の回転量の設定としては、回転軸３１を１度回転するだけで垂直方向へ走査すべき所定の回転量を回転してしまうような設定ではなく、小刻みに何回か回転軸３１を回転することにより所定の回転量に到達するような設定が好ましい。

すなわち、本実施形態の構成の全体駆動装置２３の場合には、１回のチップ部３７（図１４参照）の楕円回転による回転軸３１の回転量をＡ、垂直方向に画像を１画素移動するのに必要な回転軸３１の回転量をＢとした時に、Ｂ／Ａ＞３であることが好ましく、更にはＢ／Ａ＞１０であることがより好ましい。このように構成することにより、１回のチップ部３７の楕円回転による回転軸３１の回転量に誤差が生じた場合にも、その誤差を補正するように全体駆動装置２３の駆動を制御することで、所定の回転量（例えば画像１画素分）を回転する間に誤差を補正することが可能となる。

全体駆動装置２３により所定の回転量だけミラー部２４が回転され、図の下方向に光が走査されると、今度は駆動ミラー２２のみによって図の左方向に向かって水平に光が走査され、光が表示部１５の外に出ると、先程と同様に全体駆動装置２３が駆動して下方向にも光が走査される。以上が表示部１５下方の所定の位置まで繰り返される。そして、所定の位置（図の円Ｕで示される部分）まで光走査されると、今度は全体駆動装置２３はこれまでと反対方向に回転軸３１（図５参照）を回転し、光を上方向に走査する。

図１８は、光走査部９により表示部１５上を上から下まで走査された光が、下から上へ走査される際の光走査を説明するための説明図である。図の実線は、光走査部９により、光が上から下まで光走査される場合の光の走査位置（図１７に同じ）を示しており、図の鎖線は、光が下から上まで光走査される場合の光の走査位置を示したものである。

表示部１５の下方の所定位置（図１７の円Ｕで示される位置）まで光が走査されると、全体駆動装置２３はこれまでと回転軸３１を逆回転して、光が上から下方向に走査されていた時の回転量の半分だけ回転軸３１を回転して光を上方にずらす。上方にずらされた光は、図の左方向に向かって水平に走査され、表示部１５の外に出ると全体駆動装置２３がステップ駆動して光を上方に走査する。この際、全体駆動装置２３が回転軸３１を回転する回転量は、光が上から下へ走査されていた時と同じ所定の回転量だけ回転することになる。この走査を繰り返すことにより、図１８の点線位置上を光が走査され、表示部１５の上方の所定位置まで光が走査される。

なお、光走査部９による光の走査方法は以上の走査方法に限定される趣旨ではない。例えば、表示部１５の上から下まで走査された後、同位置を通るように下から上へ走査する形式としても構わない。ただし、本実施形態のように、表示部１５の上から下へ光を走査した後、下から上へと走査される光が、上から下へ走査した時の間を通るように光走査した方が、解像度の高い画像を得やすい。

また、本実施形態では、水平方向に走査する光が表示部１５の外に出たときに全体駆動装置２３をステップ駆動させる形式としているが、必ずしもこれに限定されない。すなわち、本実施形態の場合、駆動ミラー２２によって走査される水平方向の全領域のうち、両端の一部を画像領域として使わない構成としているが、駆動ミラーによって走査される水平方向の全領域を画像として使用できるように、全体駆動装置２３の駆動のタイミングを光が表示部１５の端部に来た時とする構成等としても構わない。

更に、全体駆動装置２３をステップ駆動でなく等速で駆動する構成しても構わない。ただし、この場合、駆動ミラー２２による水平方向の光走査と同時に垂直方向にも光が走査されるために、表示部１５の両端に画像不良が発生する可能性があるために、全体駆動装置２３はステップ駆動で、水平方向の両端で駆動する構成が好ましい。

以上光走査部９による光の走査方法について説明したが、表示部１５に画像を形成するためには、光走査部９による光の走査位置と画像を形成するために光源４〜６からの出射されるレーザ光の強度が対応している必要がある。このため、駆動ミラー２２のミラー部２４（図６参照）の位置を把握できるように、光走査光学装置３内には、ミラー位置検知用光源１２（図１参照）と、ミラー位置検出手段１３（図１参照）とが設けられている。

ミラー位置検出用光源１２は、ミラー部２４の光走査面の裏面側に光を照射するようになっており、ミラー位置検出手段１３は、この反射光を受光するように構成されている。そして、反射光の受光位置に関する情報からミラー位置が検出できる。ミラー位置検出手段１３で検出された受光位置に関する情報が信号として光制御部２に供給され、光制御部２はこの情報に基づいて光源４〜６の動作を制御している。また、ミラー位置検出手段１３で検出された受光位置に関する情報は光走査制御部１４（図１参照）にも供給されており、光走査制御部１４はこれにより、駆動ミラー２２と全体駆動装置２３の駆動を制御している。

なお、ミラー部２４の位置の検出手段は上述の構成に限定されるものでなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変形可能である。すなわち、例えば、図１７の光走査開始位置（図の円Ｓの位置）に光を反射するようにミラー部２４が位置しているか否かのみを把握できるように、検出手段を設ける構成等としても構わない。

次に、投影光学系１０（図１参照）について説明する。本実施形態の投影光学系１０は、光走査部９で走査されたレーザ光を表示部１５に結像する以外に、画像の歪みを解消する役割も担っている。本実施形態の画像表示装置においては、光走査部９の光の走査方式が、水平方向は駆動ミラー２２による共振駆動方式、垂直方向は全体駆動装置２３によるステップ駆動方式と、水平方向と垂直方向で異なっている。このため、光走査部９からのレーザ光を通常の軸対称レンズを用いて結像した場合には、例えば、図１９に示すように、画像が非対称に歪む。なお、図１９は、イメージ図であり必ずしも実際の歪みの様子を示している訳ではない。

このことから、本実施形態の投影光学系１０には、水平方向と垂直方向で曲率が異なる形状に作製されたアナモルフィック非球面レンズを使用し、画像の非対称歪みを解消している。このアナモルフィック非球面レンズを用いると、光走査部９のミラー部２４で反射され、アナモルフィック非球面レンズに入射するレーザ光の水平方向と垂直方向の射影方式は異なったものとなる。なお、アナモルフィック非球面レンズは、ガラス製でも、プラスチック成型によって作製されたプラスチック製のものでも構わない。プラスチック成型したものの方が、特にコスト面で有利である。

まず、水平方向の射影方式について図２０を用いて説明する。なお、図２０はミラー部２４で反射された光が投影光学系１０を経て表示部１５に結像する様子を説明するための模式図で、表示部１５を真上方向から見た図である。図の鎖線は表示部１５の中心３８の向かう光束の中心線である光軸３９を示す。また、実線及び一点鎖線は、ミラー部２４が図の反時計周りに回転した２つの状態について、それぞれミラー部２４で反射されて、表示部１５に導かれる光束の中心線を描いている。なお、投影光学系１０は便宜上、簡易に描いている。

水平方向の光の走査方式は共振駆動であるために、水平方向に走査される光のうち表示部１５の中央側（図では中心３８側）で走査速度が最大となり、中央側から端部に向けて光の走査速度が遅くなる。このため、水平方向の中央側は幅が狭まり、端部側は幅が広がるように射影する方式とする必要がある。そこで、本実施形態のアナモルフィック非球面レンズの水平方向への射影方式は、次式で表わされる方式となっている。

ｙｈ＝ａ・ａｒｃｓｉｎ（ｋ・θ／θｍａｘ）
ここで、θは、ミラー部２４から反射されて投影光学系１０に入射する入射光を、光軸３９を含み表示部１５の水平方向に平行な面（図では紙面が相当する）に投影した時に投影した光が光軸３９となす角（単位はラジアン）である。また、θｍａｘは、θがとり得る値の最大値であり、ミラー部２４が最大傾いた角度の２倍が相当する。ｙｈは、水平方向の画像の高さを表わし、表示部１５の中心３８を通る垂直方向（図では紙面方向）の線とある角度で投影光学系１０に入射する入射光が表示部１５に投影された時に形成する像との距離（単位はｍｍ）が相当する。ａとｋは所定の係数である。なお、係数ｋは、駆動ミラー２２によって走査される水平方向の全領域のうち、画像を表示しない割合によって決められる係数である。

次に、垂直方向の射影方式について図２１を用いて説明する。なお、図２１はミラー部２４で反射された光が投影光学系１０を経て表示部１５に結像する様子を説明するための模式図で、表示部１５を真横から見た図である。図の鎖線は表示部１５の中心３８の向かう光束の中心線である光軸３９を示す。実線及び一点鎖線は、ミラー部２４が図の反時計周りに回転した２つの状態について、ミラー部２４で反射されて、表示部１５に導かれる光束の中心線を描いている。なお、投影光学系１０は便宜上、簡易に描いている。

垂直方向の光の走査方式はステップ駆動であるために、垂直方向の画像は、水平方向の場合のように、光の走査速度の差に起因する歪みは生じないために、投影光学系１０への入射角に応じて像の高さが決定される方式で射影すれば良い。このため、本実施形態のアナモルフィック非球面レンズの水平方向への射影方式は、次式で表わされる方式となっている。

ｙｖ＝ｆ・φ
ここで、ｆは、投影光学系１０の焦点距離（単位はｍｍ）である。φは、ミラー部２４から反射されて投影光学系１０に入射する入射光を、光軸３９を含み表示部１５の垂直方向に平行な面（図では紙面が相当する）に投影した時に投影した光が光軸となす角（単位はラジアン）である。ｙｈは、垂直方向の画像の高さを表わし、表示部１５の中心３８を通る水平方向（図では紙面方向）の線とある角度で投影光学系１０に入射する入射光が表示部１５に投影された時に形成する像との距離（単位はｍｍ）が相当する。

以上のように投影光学系１０にアナモルフィック非球面レンズを用いれば、画像の非対称歪みが解消できるが、非対称歪みを解消するレンズはアナモルフィック非球面レンズに限定される趣旨ではない。例えば、２枚の直交配置されるシリンダレンズを組み合わせて、アナモルフィック非球面レンズと同じ働きをさせるようにしても構わない。

なお、本実施形態の投影光学系１０ではレンズを２枚配置する構成としているがこれに限る趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変更可能である。また、本実施形態の投影光学系１０に用いるアナモルフィック非球面レンズは、水平方向の走査方式が振動による駆動で、垂直方向の走査方式がステップ駆動となる２次元光走査装置を含む光学系であれば適用可能であり、例えば画像表示装置１において、駆動ミラー２２が電磁駆動、或いは静電駆動タイプのものにも適用可能である。

上述のように、本実施形態の画像表示装置１では、水平方向の光の走査方式が共振駆動であることに起因する画像の歪みが発生するため、投影光学系１０にアナモルフィック非球面レンズを用いる構成としたが、必ずしもこのような構成としなくても、画像の非対称歪みの解消を図ることが可能である。

すなわち、共振駆動方式の場合、表示部１５の水平方向の走査速度が、中央側で速く、端部側で遅くなるため、光源４〜６から出射されるレーザ光のオンオフの切り替え速度を表示部１５の水平方向中央側で速くし、端部側程遅くなるように光制御部２（図１参照）で制御する構成とすることで、歪みの解消を図ることも可能である。なお。光源４〜６からのレーザ光のオンオフの切り替え速度は、光源周波数変調部１９（図３参照）における光源４〜６の周波数の変調を制御することで可能となり、周波数を高く変調すれば、レーザ光のオンオフの切り替えは速くなり、周波数を低くすればその逆となる。また、このような構成と投影光学系にアナモルフィック非球面レンズを用いた構成とを組み合わせる構成等とすることも可能である。

なお、以上においては、水平方向と垂直方向とで、光走査の駆動方式が異なることに起因する画像の歪みの解消について述べたが、本実施形態のように、光走査を行うミラー部２４に入射する光が、ゼロでない有限角度をもっている場合には、表示部１５上に表示される表示画像（格子）は、例えば、画像の枠を構成する４本線のうち、水平方向の線の中央部が下側に湾曲する台形歪みを発生することがある。

このため、付加的に投影光学系１０を平行偏心及び／又は傾き偏心させて歪みを補正するようにしても構わない。また、本実施形態では、投影光学系１０にアナモルフィック非球面レンズを用いているが、これに代えて自由曲面を用いたレンズ（光学系）を利用するようにしても構わない。このようにすれば、光走査の駆動方式が異なることに起因する画像の歪みと、上述の台形歪みの解消が可能となる。

また、投影光学系１０だけでは、表示部１５に表示される画像の歪み（ここでは、上述の２つの歪みを含む、光走査光学装置３に装置構成に由来する全ての歪みを指す。）を十分に解消できない場合に、例えば、光制御部２で光源４〜６のオンオフのタイミングを本来のタイミングとは異なるように制御することで歪みを補正するようにしても構わない。このことについて図２２を用いて説明する。なお、図２２は光制御部２による画像の歪みの補正方法を説明するための模式図である。

本来、光制御部２は水平方向のドット（例えば図の４１ａ〜４１ｄ）に順次像が描かれるように光源４〜６からのレーザ光の出射を制御する。しかし、図２２に示すように画像の水平方向のラインが歪んでいる場合には、ドット４１ａから４１ｄへと順次像を描くように光源４〜６かのレーザ光の出射するのではなく、本来４１ｂ、４１ｃに描くべき像を４０ａ、４０ｂのところで描くように光制御部２が、光源４〜６から出射されるレーザ光のオンオフのタイミングを制御すれば、表示部１５に表示される画像は見かけ上歪まない。従って、このよう制御を適宜行えるように光制御部２を構成しておけば、画像の歪みが極めて少ない映像を得ることが可能となる。

また、画像表示装置１により投影される画像は、画像表示装置１本体の構成に由来する歪み以外に、例えば、スクリーン等の表示部１５が傾いている場合等に発生する台形歪みも存在する。このため、光制御部２によってこの台形歪みが補正できるように光制御部２を構成しておいても構わない。

以上、本発明の駆動ミラーと光走査光学装置を備える画像表示装置について説明したが、本発明の駆動ミラーと光走査光学装置は画像表示装置以外にも適用可能である。例えば、図２３に示すようにレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）等にも搭載することも可能である。

図２３はＬＢＰに搭載される本発明の駆動ミラーを備える光走査光学装置と感光体ドラムの関係を示したものである。図において、１００は本発明の光走査光学装置、１０１はレーザ光源、１０２はシリンドリカルレンズ、１０３は本発明の駆動ミラー、１０４はｆθレンズ、１０５は感光体ドラムである。

レーザ光源１０１から出射されたレーザ光はシリンドリカルレンズ１０２を透過後、駆動ミラー１０３により反射され、ｆθレンズ１０４を透過して感光体ドラム１０５に結像する。そして、駆動ミラー１０３は、例えば、図６に示されるような構成をしており、ミラー部２４を回転させることで、感光体ドラム１０５の長手方向（図の感光体ドラム１０５上に描かれた矢印方向）にレーザ光を走査できるように設定されている。

このような装置において、従来は、高速化に対応したＬＢＰを作製するにあたって、光走査を行うためのポリゴンミラーを複数配置する必要があったため装置が大型化した。しかし、本発明の駆動ミラー１０３では高速にミラー部２４を回転し、光走査を高速に行えるため、駆動ミラー１０３を１個配置すれば高速化対応のＬＢＰを作製できる。このため、装置全体が大型化せず、消費電力の低減も可能となる。

以下に、本発明の画像表示装置であるプロジェクタの実施例を示す。

画面サイズは２０インチとし、投影距離は３００ｍｍとした。光学系の投影角度は、水平方向が±３７度、垂直方向が±２２度とした。画面の解像度は、ハイビジョンテレビと同等の１９２０×１０８０サイズの表示解像度とした。プロジェクタの光学系は、図１に示す構成とし、投影光学系には本実施形態に示した水平方向と垂直方向の投影方式が異なるアナモルフィック非球面レンズを用いた。

光源には赤色、緑色、青色のレーザダイオードを用い、赤色の波長は６６０ｎｍ、緑色の波長は５３２ｎｍ、青色の波長は４５０ｎｍとした。レーザダイオードの変調周波数は１２５ＭＨｚとした。

駆動ミラーは、図６に構成される駆動ミラーを用い、図６（ａ）において、駆動ミラー全体の大きさは左右方向が１７．４ｍｍ、上下方向が５ｍｍとし、駆動ミラーの各パーツのサイズは図１２に示すサイズのものとした。また、全体駆動装置には図１４に示す構成のものを用い、回転軸の直径はφ１０ｍｍとした。また、駆動ミラーによる水平方向の光の走査周波数は６５０００Ｈｚ、全体駆動装置による垂直方向の光の走査周波数は６０Ｈｚとした。

このプロジェクタにおいて、光源にレーザダイオードの消費電力は、赤色、緑色、青色の３つを合わせて、２．５Ｗ程度であった。駆動ミラー及び全体駆動装置の消費電力はいずれも０．５Ｗ程度であった。制御系の消費電力は１．５Ｗ程度であった。従って、プロジェクタ全体では、およそ５Ｗとなった。

ただし、制御系については、安全性対策部品等を設けていないので、それらを設けるとさらに大きな値となる。この場合でも、プロジェクタ全体の消費電力は１０Ｗを超えないので、バッテリー駆動できるという結果となった。

本発明の駆動ミラーによれば、ミラーを有する梁を圧電方式で駆動し、梁を横から錐を回転させるようなスタイルで回転させる構成となっている。このため、ミラーを高速且つ広角度に回転でき、更にそのような条件で使用しても十分高耐久性を有する。このため、高速に光走査を行う必要があるプロジェクタ等の画像表示装置や高速ＬＢＰへの適用が可能となる。

本発明の光走査光学装置は、ミラーを高速に回転できる駆動ミラーとステップ駆動で駆動ミラー全体を回転する全体駆動装置を備える構成のために、２方向の光走査の走査速度に大きな差を設けることができる。このため、高解像度のプロジェクタ等の提供が可能となる。また、駆動ミラーのミラーの回転軸と全体駆動装置のミラーの回転軸がミラーの反射面の中心を通るように直交しているので、反射面付近に瞳を配することができ、本発明の光走査光学装置を備える画像表示装置を小型にできる。

また、本発明の光走査光学装置は、異なる駆動方式を用いて２方向に光を走査する方式となっているが、特殊な投影光学系で、駆動方式の違いに合わせて、２方向の射影方式を異なるように設定しているために、画像表示装置に適用したときに複雑な電気制御をすることなく解像度の高い画像の提供が可能となる。

本発明の画像表示装置は、上記の駆動ミラーと光走査光学装置を備えるために、高解像度であり、装置全体が小型で、更に低消費電力である。このため、携帯性を有する画像表示装置の提供が可能となる。

は、本実施形態の画像表示装置の概略構成を示すブロック図である。 は、本実施形態の画像表示装置が備える光走査光学装置の概観を示す概略斜視図である。 は、本実施形態の画像表示装置が備える光制御部の構成を示すブロック図である。 は、色合成プリズムを用いない場合の一例を示す説明図である。 は、本実施形態の画像表示装置が備える光走査部を示す概略斜視図である。 は、本実施形態の駆動ミラーの構成を説明するための説明図である。 は、本実施形態の駆動ミラーの製造方法を説明するための説明図である。 は、本実施形態の駆動ミラーの動作を説明するための模式図である。 は、本実施形態の駆動ミラーの性能優位性を示すための計算をするに当たって、計算に用いた駆動ミラーの構成を説明する説明図である。 は、本実施形態の駆動ミラーの性能優位性を示すために比較に用いた特許文献４の光走査装置の構成を示す概略図である。 は、本実施形態の駆動ミラーの性能優位性を計算するに際して用いた圧電膜の発生力の計算モデルを示した図である。 は、本実施形態の駆動ミラーの性能優位性を計算するのに用いた数値を示した表である。 は、本実施形態の駆動ミラーの構成の変形例を示す説明図である。 は、本実施形態の全体駆動装置の構成を示す概略正面図である。 は、本実施形態の全体駆動装置上に設けられる圧電素子に加える電圧のパターンを示した図である。 は、本実施形態の全体駆動装置のチップ部の楕円運動を説明するための模式図である。 は、本実施形態の画像表示装置において、光走査部により表示部上を光が走査する様子を示した模式図である。 は、本実施形態の画像表示装置において、光走査部により表示部上を光が走査される際の走査方法を説明する説明図である。 は、画像が歪んだ状態を示すイメージ図である。 は、本実施形態の画像表示装置において、ミラー部で反射された光が投影光学系を経て表示部に結像する様子を説明するための模式図で、表示部を真上から見た図である。 は、本実施形態の画像表示装置において、ミラー部で反射された光が投影光学系を経て表示部に結像する様子を説明するための模式図で、表示部を真横から見た図である。 は、光制御部による画像の歪みの補正方法を説明するための模式図である。 は、本発明の駆動ミラーと光走査光学装置を備えるＬＢＰの一部構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 画像表示装置
２ 光制御部
３ 光走査光学装置
４〜６ 光源
７ 色合成プリズム
８ コリメータレンズ
９ 光走査部
１０ 投影光学系
１５ 表示部
１６ 画像信号入力部
１７ 輝度信号変換部
１８ 光源輝度制御部
１９ 光源周波数変換部
２２ 駆動ミラー
２３ 全体駆動装置
２４ ミラー部
２４ａ 反射層
２５ 梁
２６ 固定枠（固定部）
２７ａ〜２７ｄ 腕部
２８ 圧電膜
２９ａ、２９ｂ 駆動腕
３１ 回転軸
３２ 軸受け
３３ 回転駆動部
３４ ベース
３５ 第１の圧電素子（第１の変位部）
３６ 第２の圧電素子（第２の変位部）
３７ チップ部
３８ 表示部の中心
３９ 光軸

Claims (22)

1. 光を反射する反射面を設けたミラー部と、前記ミラー部を保持する梁と、前記梁を固定する固定部と、前記梁を圧電素子の伸縮により回転させる駆動部と、を備える駆動ミラーにおいて、
   前記駆動部は、前記梁を挟むように前記梁に連結される２本の腕部から成る駆動腕を少なくとも１本有し、前記腕部は前記梁と略垂直に配置され、前記腕部それぞれには前記圧電素子が設けられることを特徴とする駆動ミラー。
2. 前記圧電素子は、前記腕部が前記梁を挟む側の裏面側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の駆動ミラー。
3. 前記腕部は、前記反射面と略平行に設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の駆動ミラー。
4. 前記２本の腕部は、前記梁の断面中心に対して略点対称に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の駆動ミラー。
5. 前記駆動部は、前記駆動腕を２つ有し、前記駆動腕は前記ミラー部を挟んで対称に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の駆動ミラー。
6. 前記固定部は、前記ミラー部を囲むように配置され、前記腕部の一端は前記固定部に連結されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の駆動ミラー。
7. 前記ミラー部は、共振により振動するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の駆動ミラー。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動ミラーを備えることを特徴とする光走査光学装置。
9. 光源と、該光源から出射された光を平行光に変換するコリメート光学系と、該コリメート光学系を通過した光を反射する反射面が設けられるミラー部を駆動することにより光を２次元的に走査する光走査部と、該光走査部で走査された光を表示部へと導く投影光学系とを備える光走査光学装置において、
   前記光走査部の２次元的な光走査は、前記ミラー部を、前記反射面の略中心を通り前記反射面に平行で互いに直交する２つの回転軸を中心に回転することによって行われ、前記回転軸による回転駆動のうち一方は、前記ミラー部を有し、１次元に光走査可能な駆動ミラーで行い、他方は前記駆動ミラー全体を一体で回転する全体駆動装置を用いて行われることを特徴とする光走査光学装置。
10. 前記駆動ミラーは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動ミラーであることを特徴とする請求項９に記載の光走査光学装置。
11. 前記全体駆動装置は、ステップ駆動することを特徴とする請求項９又は１０に記載の光走査光学装置。
12. 前記全体駆動装置は前記駆動ミラーと、前記駆動ミラーに連結され、前記駆動ミラーを回転可能にする回転軸と、該回転軸の軸受けと、前記回転軸を回転駆動させる回転駆動部と、を備え、前記回転駆動部は、ベース上に固定され所定の位相差をもって伸縮振動する第１変位部及び第２変位部と、両変位部を連結して楕円回転を発生しつつ前記回転軸に押圧されるチップ部とから成ることを特徴とする請求項１１に記載の光走査光学装置。
13. 前記チップ部が楕円回転を１回転する際に前記回転軸が回転する回転量をＡ、前記全体駆動装置の駆動により光を走査して、その光走査方向に前記表示部における画像を１画素分移動するのに必要な前記回転軸の回転量をＢとした時に、以下の式（Ａ）を満たすことを特徴とする請求項１２に記載の光走査光学装置。
    Ｂ／Ａ＞３ ・・・（Ａ）
14. 前記投影光学系は、前記光走査部が光走査する２方向のそれぞれで射影方式が異なるように設けられていることを特徴とする請求項９乃至請求項１３のいずれかに記載の光走査光学装置。
15. 前記射影方式は、前記投影光学系の焦点距離をｆ（ｍｍ）、前記表示部の中心に向かう光束の中心光線を光軸とし、前記ミラー部で反射され前記投影光学系へ入射する入射光を、前記光軸を含み前記２方向のうち前記駆動ミラーによって光走査を行う第１の方向に平行な面に投影した場合に、投影した光が前記光軸となす角をθ（ｒａｄ）、前記θがとり得る値の最大値をθｍａｘ、前記入射光を、前記光軸を含み前記２方向のうち前記第１の方向と異なる第２の方向に平行な面に射影した場合に、射影した光が前記光軸となす角をφ（ｒａｄ）、前記表示部上において、前記表示部の中心を通る前記第１の方向と直交する直線と前記入射光が前記表示部へ投影されて作る像との距離をｙ１（ｍｍ）、前記表示部の中心を通る前記第２の方向と直交する直線と前記入射光が前記表示部へ投影されて作る像との距離をｙ２（ｍｍ）、ａとｋを所定の係数とした時に、前記第１の方向と前記第２の方向への射影方式はそれぞれ次の式（Ｂ）、（Ｃ）で表されることを特徴とする請求項１４に記載の光走査光学装置。
    ｙ１＝ａ・ａｒｃｓｉｎ（ｋ・θ／θｍａｘ） ・・・（Ｂ）
    ｙ２＝ｆ・φ ・・・（Ｃ）
16. 前記投影光学系には、アナモルフィック非球面レンズ又は自由曲面レンズが使用されることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の光走査光学装置。
17. 前記光源と前記光走査部との間に色合成プリズムが配置されていることを特徴とする請求項９乃至請求項１６のいずれかに記載の光走査光学装置。
18. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動ミラーを備えることを特徴とする画像表示装置。
19. 画像信号を入力する画像信号入力部と、該画像信号入力部に入力された画像信号を輝度信号に変換する輝度信号変換部と、該輝度信号変換部で変換された輝度信号に基づいて光源の強度を制御する光源輝度制御部と、前記光源から出射される光の周波数を変調する光源周波数変調部と、を有する光制御部と、請求項９乃至請求項１７のいずれかに記載の光走査光学装置とを備え、前記表示部の水平方向の光走査は前記駆動ミラーを用い、前記表示部の垂直方向の光走査は前記全体駆動装置を用い、前記水平方向の走査速度が前記垂直方向の走査速度よりも高速であることを特徴とする画像表示装置。
20. 前記水平方向の走査速度をＶｘ、前記垂直方向の走査速度をＶｙとした時に、ＶｘとＶｙが以下の式（Ｄ）を満たすことを特徴とする請求項１９に記載の画像表示装置。
    Ｖｘ／Ｖｙ＞５００ ・・・（Ｄ）
21. 前記垂直方向の走査周波数が５０Ｈｚより大きいことを特徴とする請求項１９又は請求項２０に記載の画像表示装置。
22. 前記光源周波数変調部は、前記表示部の前記水平方向の中心側と端部側とで前記光源から出射される光の周波数が異なるように変調することを特徴とする請求項１９乃至請求項２１のいずれかに記載の画像表示装置。

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