JP2009540360A - 拡張された視距離に亘って視認される画像を投影するための装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

レーザービームが走査ミラーにより投影面上に走査線のパターンとして掃引される。各走査線に沿って並んだ選択された画素が照明されて画像が生成される。走査ミラーと投影面との間に位置する焦点位置において、解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するようにレーザービームを集光することによってレーザービームが光学的に整形され、拡張された視距離に亘って、所望の多数の画素を有する所望の高解像度を有する各走査線が形成される。

Description

本発明は、一般に二次元画像の投影に関し、特に拡張された視距離に亘って投影面上視認される二次元カラー画像の投影に関する。

多数の画素を有する各走査線の集合からなるラスタパターン一面にレーザービームを走査するために、相互に直交する方向に振動する一対の走査ミラーに基づいて、画像投影装置から投影面上に二次元画像を投影することは、一般に知られている。選択した時間にてレーザーをオンオフして励起、あるいはパルス化することにより、各走査線上で選択した画素をビームスポットで照明し、その他の画素は照明しないようにすることによって、画像がラスタパターン中に生成される。各走査線に適合した明確なビームスポットまたは画素の数は、解像度として知られている。

明るく明瞭な画像を得るためには、解像度が高く、画像が視認可能な拡張された視距離に亘って、その解像度を高く維持できることが望ましい。また、投影される画像が相対的に薄暗くなる遠方と比較して、投影される画像が相対的に明るい、画像投影装置の至近距離から、拡張された視距離が開始することが望ましい。

従って、本発明の概略的な目的は、本発明の方法に従って二次元画像を投影する画像投影装置を提供し、特に投影面上に拡張された視距離に亘って視認される高解像度二次元カラー画像を投影する画像投影装置を提供することである。

さらなる目的は、多くの異なる形状の装置において有用な、小型、コンパクト、軽量、および持ち運び可能なカラー画像投影モジュールを提供することである。

これらの目的および以下明らかになる他の目的を踏まえて、本発明の一つの特徴は、簡潔に述べると、高解像度二次元画像を投影し、特に投影面上に拡張された視距離に亘って視認されるカラー画像を投影するための画像投影装置、およびその方法に備わっている。装置は、レーザービームを生成するレーザーアセンブリと、走査軸を中心に振動可能な走査ミラーを含み、拡張された視距離内において、投影面上に、走査ミラーの振動の間、各々複数の画素を有する走査線のパターンとしてレーザービームを掃引するスキャナと、レーザーアセンブリとスキャナに対して動作可能に接続され、走査線に沿って選択された画素をレーザービームによって照明し、可視状態として画像を生成する制御装置とを含む。

本発明の一つの側面に関連して、走査ミラーと投影面との間に位置する焦点位置において、解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するようにレーザービームを集光することによって、レーザービームは光学素子によって光学的に整形され、拡張された視距離に亘って、所望の多数の画素を有する所望の高解像度を有する各走査線が形成される。本明細書で定義されるように、走査寸法は走査方向に沿ったウェストの寸法である。円状ビームウェストの場合、走査寸法は直径である。望ましい実施形態において、光学素子は少なくとも一つの非球面を有するレンズを含む。拡張された視距離に亘って所望の高解像度を維持することにより、投影された画像は常に明るく明瞭である。

望ましい実施形態において、レーザーアセンブリは、異なる波長の複数のレーザービームをそれぞれ生成する複数のレーザーを含み、例えば、赤色、青色、および緑色レーザービームを含む。光学素子は、各レーザービームを光学的に整形するために、非球面レンズを含む。光学素子は、レーザービームをほぼ同一線上へ配置して走査ミラーへ導かれる合成ビームとしてレーザービームを形成するように作用する。走査ミラーは、第１走査角の間、第１走査レートで、第１方向に沿って合成ビームを掃引する作用をする。別の振動可能な走査ミラーは、第１走査角と異なる第２走査角の間、第１走査レートと異なる第２走査レートで、第１方向に実質的に垂直な第２方向に沿って合成ビームを掃引する作用をする。少なくとも一つの走査ミラーは、慣性駆動部により振動される。

制御装置は、選択された画素を照明するためにレーザーアセンブリを励起状態にする手段と、選択された画素以外の画素を照明しないためにレーザーアセンブリを非励起状態にする手段とを含む。制御装置は、相互に関連した各レーザービームの画素のオンオフを遅延させることによって、効率的にレーザービームを同一線上に並べる手段を含む。

支持体が少なくともレーザーアセンブリ、スキャナ、および光学素子を支持するために供給されていることは、有利な効果を奏する。支持体、レーザー、スキャナ、制御装置、および光学素子は、望ましくは約７０立方センチメートルの体積を占め、それによって、そのコンパクトで小型なサイズにより、ペン型、銃型、または懐中電灯型機器、携帯電話、ペンダント、時計、コンピュータを含むが、それに限られない異なる形状、すなわち、どのような形状の筐体中にも交換して搭載可能な小型モジュールを構成する。投影された画像は、広告や看板の目的、またはテレビやコンピュータのモニタースクリーン、すなわち、何かを表示しようと望むいずれの目的のために用いることができる。

図１の参照番号１０は、一般に、機器からの視距離の拡張された範囲内のいずれかに位置する投影面に、二次元カラー画像を投影するために動作する、図２に示す軽量で小型の画像投影装置２０が搭載された携帯用機器、例えば、個人用デジタル端末を示す。一例として、画像１８は、機器１０に関連して視距離の拡張された範囲内に位置している。

図１に示すように、画像１８は、画像の水平方向に沿って拡大された光水平走査角Ａ、および垂直方向に沿って拡大された光水平走査角Ｂに亘って拡張されている。以下に示すように、画像は、装置２０のスキャナによって掃引される走査線のラスタパターン上にある照明された、および照明されてない画素から構成される。

機器１０の平行六面体形状は、装置２０が実装されうる筐体の単なるひとつの形状を表しているに過ぎない。この機器は、ペン、携帯電話、折り畳み型、または腕時計といった、多くの異なる形状となりうる。

好ましい実施形態においては、装置２０の体積は約７０立方センチメートルである。このコンパクトかつ小型なサイズにより、装置２０は、オンボードディスプレイ１２、キーパッド１４、および画像が投影されるウィンドウ１６を有するものを含む多種多様な形状、大小異なる形状、携帯型または固定型の筐体に組み込まれることが可能となる。

図２および３を参照すると、装置２０は固体レーザー、望ましくは半導体レーザー２２を含み、励起されると波長約６３５から６５５ナノメートルの明るい赤色レーザービームを放出する。レンズ２４は、正の焦点距離を有する非球面両凸レンズであり、赤色ビームのほぼすべてのエネルギーを集め、回折限界まで集光したビームを形成するように作用する。レンズ２６は、負の焦点距離を有する凹面レンズである。レンズ２４および２６は、機器１０の内部の支持体（明確にするため図２においては示されていない）上にある図示されていないレンズホルダーによって離間して保持されている。レンズ２４および２６は、赤色ビーム分布を拡張された視距離内に亘って整形する。本発明と関連した赤色ビームの光学的整形における非球面両凸レンズ２４の役割は、以後の図８および図９と関連して説明される。

別の固体レーザーまたは半導体レーザー２８は支持体上に取り付けられ、励起されると波長約４４０ナノメートルの回折限界青色レーザービームを放射する。別の非球面両凸レンズ３０および凹面レンズ３２は、レンズ２４およびレンズ２６と類似の方法で、青色ビーム分布を整形するために用いられる。本発明と関連した青色ビームの光学的整形における非球面両凸レンズ３０の役割は、以後の図８および図９と関連して説明される。

約５３２ナノメートルの波長を有する緑色レーザーは、半導体レーザーではなく、代わりに１０６４ナノメートルの出力ビームを有する赤外光ダイオード励起ＮｄドープＹＡＧ結晶レーザーを有する緑色モジュール３４によって生成される。第二高調波発生用非線形結晶は、二つのレーザーミラー間にある赤外レーザー共振器中に含まれる。共振器中の赤外レーザーパワーは共振器外に結合されるパワーと比較して非常に大きいため、第二高調波発生器は、第二高調波である緑色光の生成において、共振器内部ではより高効率である。レーザーの出力ミラーは、１０６４ｎｍの赤外放射を反射し、第二高調波である５３２ｎｍの緑色レーザービームを透過させる。固体レーザーおよび第二高調波発生器の正常な動作には精密な温度制御が必要であるため、ペルチェ効果を利用した半導体デバイスが緑色レーザーモジュールの温度制御に用いられる。熱電冷却器は、印加電流の極性に応じてデバイスを加熱または冷却することができる。サーミスタは、緑色レーザーモジュールの一部として温度計測のために設けられている。サーミスタの計測値はコントローラーへ入力され、コントローラーは、それに応じて熱電冷却器への制御電流を調整する。

以下説明するように、レーザーは動作中、約１００ＭＨｚの周波数においてパルス化される。赤色半導体レーザー２２および青色半導体レーザー２８は、このような高周波においては、印加された駆動電流によって直接パルス化され得るが、現在市販されている緑色固体レーザーでは不可能である。結果として、緑色モジュール３４から出る緑色レーザービームは、緑色ビームを回折させるために結晶中に音響進行波を生成する音響光学変調器３６によりパルス化される。変調器３６は、しかしながら、０次非回折ビーム３８およびパルス化された１次回折ビーム４０を生成する。ビーム３８およびビーム４０は、互いから分岐し、両者を分離して不要な０次ビーム３８を除去するために、ビーム３８およびビーム４０は、フォルディングミラー４２を有する折り畳まれた長距離の経路に沿って送られる。代替的に、緑色レーザービームをパルス化するために、緑色レーザーモジュールに対して外部的か、または内部的に電気光学変調器を用いることが可能である。緑色レーザービームを変調する別の可能な方法としては、電界吸収型変調、またはマッハ・ツェンダー型干渉計が含まれる。ビーム３８およびビーム４０は、正レンズ４４および負レンズ４６を介して送られる。しかしながら、回折された緑色ビーム４０のみが、フォルディングミラー４８に作用し、反射することが可能である。非回折ビーム３８は吸収体５０によって吸収され、吸収体５０は望ましくはミラー４８に取り付けられる。

装置は、緑色、青色、および赤色ビームが、走査アセンブリ６０に到達するまでに可能な限り同一線上になるようにするために配置された一対の二色フィルタ５２および５４を含む。フィルタ５２は、緑色ビーム４０を通過させることは可能であるが、青色レーザー２８からの青色ビーム５６は、干渉効果により反射される。フィルタ５４は、緑色ビーム４０および青色ビーム５６を通過させることは可能であるが、赤色レーザー２２からの赤色ビーム５８は干渉効果により反射される。

ほぼ同一線上にあるビーム４０、５６、および５８は、固定されたフォルドミラー６２へ誘導され、反射される。走査アセンブリ６０は、フォルドミラー６２で反射するレーザービームを第１水平走査角Ａに亘って走査するために、第１走査レートで慣性駆動部６６（図４から５において単独で示される）により振動される第１走査ミラー６４と、第１走査ミラー６４で反射するレーザービームを第２垂直走査角Ｂに亘って走査するために、第２走査レートで電磁駆動部７０により振動される第２走査ミラー６８とを含む。異なる構成においては、走査ミラー６４および走査ミラー６８は、単一の二軸ミラーと置き換えることが可能である。

慣性駆動部６６は、高速、低消費電力部品である。慣性駆動部の詳細は、本出願と同一の譲受人により譲渡され、それを参照することにより本明細書へ引用したものとする、２００３年３月１３日に出願された米国特許出願第１０／３８７，８７８号において見出すことが可能である。慣性駆動部の使用は、走査アセンブリ６０の消費電力を１ワット以下に減少させ、カラー画像の投影の場合においては、以下に説明するように、１０ワット以下に減少させる。

駆動部６６は、ヒンジを用いて走査ミラー６４を保持するための可動式フレーム７４を含み、ヒンジは、ヒンジ軸に沿って延在し、走査ミラー６４の両側の領域とフレームの両側の領域との間を接続する、一対の同一線上に並んだヒンジ部７６および７８を含む。フレーム７４は、図示したように、走査ミラー６４を囲む必要がない。

フレーム、ヒンジ部、および走査ミラーは、厚さ約１５０ミクロンで、一般的に平面の、シリコン基板全体から形成される。シリコンは、上方の平行溝部、下方の平行溝部、およびＵ型形状の中心溝部を有するオメガ型形状の溝を形成するようにエッチングされる。走査ミラー６４は、望ましくは楕円形状を有し、溝部において自由に動くことができる。望ましい実施形態においては、楕円形状の走査ミラーの軸に沿った寸法は、７４９ミクロン×１６００ミクロンである。各ヒンジ部は、幅２７ミクロン、長さ１１３０ミクロンである。フレームは幅３１００ミクロン、長さ４６００ミクロンの矩形形状を有している。

慣性駆動部は、一般的に平面の、プリント回路基板８０上に取り付けられ、フレームを直接的に動かすように動作し、慣性によって、ヒンジ軸を中心に走査ミラー６４を間接的に振動させるように動作する。慣性駆動部の一実施形態は、基板８０に垂直の方向に、ヒンジ部７６の両側においてフレーム７４の離間部分に接触するように延在する、一対のピエゾ電気変換器８２および８４を含む。接着剤は、各変換器の一端と、各フレーム部との間の恒久的な接続を保障するために用いられる。各変換器の反対側の端部は、基板８０の裏面から突出し、ワイヤ８６および８８により、交流電圧源（図示せず）に電気的に接続される。

使用時、周期信号により各変換器に周期駆動電圧が印加され、各変換器を長手方向に交互に伸長および縮小させる。変換器８２が拡大する場合、変換器８４は縮小し、その逆の場合においても、結果として離間フレーム部分を同時に押し引きし、ヒンジ軸を中心にフレームを捩れさせる。駆動電圧は、走査ミラーの共振周波数に相当する周波数を有する。走査ミラーは、初期の停止位置から移動し、共振周波数で同様にヒンジ軸を中心に振動する。望ましい実施形態においては、フレームおよび走査ミラーは約１５０ミクロンの厚さであり、スキャンミラーは高いＱ値を有する。各変換器による約１ミクロンの移動は、１５度を上回る走査角での走査ミラーの振動を生じさせることが可能である。

別の対のピエゾ電気変換器９０および９２は、基板８０に垂直の方向に、ヒンジ部７８の両側においてフレーム７４の離間部分を恒久的に接触させるように延在する。変換器９０および９２は、フレームの振動運動を測定し、フィードバック制御回路（図示せず）へ、ワイヤ９４および９６に沿ってフィードバック信号を生成、伝導するためのフィードバックデバイスとしての役割を果たす。

光は、走査ミラーの外面から反射可能であるが、ミラー６４の表面は、金、銀、アルミ、または特別に設計された高反射率誘電体コーティングからなる反射コーティングにより被覆されることが望ましい。

電磁駆動部７０は、第２走査ミラー６８上でその背面に結合して取り付けられた永久磁石、および周期的駆動信号の受信に応答して周期的磁場を生成するように動作する電磁コイル７２を含む。コイル７２は、周期的場を磁石の永久磁場と磁気的に相互作用させ、磁石、すなわち第２走査ミラー６８を振動させるために、磁石と隣接している。

慣性駆動部６６は、走査ミラー６４を、望ましくは５キロヘルツ以上、より詳細には約１８キロヘルツかそれ以上、の走査レートである高速度で振動させる。この高速の走査レートは不可聴周波数帯にあり、それゆえ雑音および振動を最小限に抑える。電磁駆動部７０は、走査ミラー６８を、約４０ヘルツの遅い走査レートで振動させるが、この走査レートは、画像が過度のちらつきなく人間の目の網膜上に持続するには十分な速さである。

より高速に走査されるミラー６４は、一般に水平走査線を掃引し、より低速で走査されるミラー６８は、一般に水平走査線を垂直に掃引し、その結果、おおよそ平行な走査線のグリッドまたは連続体であるラスタパターンを生成し、そのラスタパターンから画像が構成される。各走査線は、複数の画素を有する。画像の解像度は、望ましくは１０２４×７６８ピクセルのＸＧＡ品質である。７２０ｐ、１２７０×７２０ピクセルで示される高鮮明度テレビジョン標準規格も、同様に取得可能である。ある応用においては、３２０×４８０ピクセルの１／２のＶＧＡ品質、または、３２０×２４０ピクセルの１／４のＶＧＡ品質で十分である。少なくとも、１６０×１６０ピクセルの解像度が望ましい。

ミラー６４および６８の役割は、ミラー６８をより高速なミラー、ミラー６４をより低速なミラーとするように、逆転させることが可能である。ミラー６４は、垂直走査線を掃引するように設計することも可能であり、その場合、ミラー６８は、水平走査線を掃引することとなる。慣性駆動部は、ミラー６８を駆動するために使用することも可能である。実際、どちらのミラーも、電気機械的、電気的、機械的、静電的、磁気的、または電磁的駆動部によって駆動され得る。

低速のミラーは、一定速度の掃引モードにて操作され、その間、画像が表示される。ミラー帰還の最中は、ミラーは著しく速いその固有周波数で掃引されて初期位置へ戻る。ミラーは、元の位置に戻るように駆動されることも可能である。ミラー帰還の最中は、デバイスの消費電力低減のためにレーザーの出力を低下させることが可能である。

図６は、図２と同様の視点で示した、装置２０の実際の実装品である。前述の構成部品は、上面カバー１００および支持板１０２を含む支持体上に取り付けられる。ホルダー１０４、１０６、１０８、１１０、１１２は、相互に位置合わせされて、それぞれフォルディングミラー４２、４８、フィルタ５２、５４、およびフォルドミラー６２を支持する。各ホルダーは、支持体上に固定して取り付けられた位置調整柱を受承するための複数の位置調整溝を有する。従って、ミラーおよびフィルタは、正確に位置合わせされる。図示したように、三本の柱があり、それによって二方向の角度調整および一水平方向の調整が可能となる。各ホルダーは、その最終的な位置に接合することが可能である。

画像は、走査線における一つあるいは複数の画素の選択的照明によって構成される。図７Ａおよび図７Ｂを参照して以下に詳細に説明するように、制御装置１１４は、三本のレーザービームにより、ラスタパターン中の選択された画素を照明し、可視状態とする。例えば、赤色パワー制御装置１１６、青色パワー制御装置１１８、および緑色パワー制御装置１２０は、レーザーを励起状態にして各選択された画素に個別の光ビームを放射するように、それぞれ赤色レーザー２２、青色レーザー２８、および緑色レーザー３４へ電流を流し、レーザーを非励起状態としてその他の選択されていない画素を照明しないように、赤色レーザー２２、青色レーザー２８、および緑色レーザー３４へ電流を流さない。照明された画素および照明されない画素により得られるパターンは、人間または機械により読み取り可能な情報または図形の任意の表示である画像を備える。

図１を参照すると、ラスタパターンは拡大図において示されている。レーザービームは慣性駆動部により、一般に水平方向に沿って水平走査レートで、端点から開始して反対側の端点へ向かって走査線を形成するように掃引される。その後すぐに、レーザービームは電磁駆動部７０により、垂直方向に沿って垂直走査レートで、もう一つの端点へ向かって第２の走査線を形成するように掃引される。一連の走査線の形成は、同様の方法で継続される。

画像は、パワーコントローラ１１６、１１８、１２０の働きにより、マイクロプロセッサ１１４、または制御回路の制御のもと、選択した時間、レーザーをオンオフして励起、あるいはパルス化することにより、ラスタパターン中に生成される。レーザーは可視光を放出し、所望の画像中の画素の可視化が要求される場合にのみ、動作させられる。各画素の色は、一つまたは複数のビームの色により決定される。可視光スペクトルにおけるいずれ色も、赤色、青色、および緑色レーザーのうちの一つまたは複数の選択的な重ね合わせにより形成可能である。ラスタパターンは、各線上の多数の画素および多数の線からなるグリッドである。画像は、選択された画素からなるビットマップである。すべての文字または数字、あらゆる図形デザインまたはロゴ、および機械読み取りのバーコード図形であっても、ビットマップ画像により形成可能である。

図７Ａおよび図７Ｂに示すように、垂直および水平方向に同期化されたデータの他に画素およびクロックデータも有する入力ビデオ信号は、マイクロプロセッサ１１４の制御のもと、赤色バッファー１２２、青色バッファー１２４、および緑色バッファー１２６へ送られる。一つのフルＶＧＡフレームの格納には、多くのキロバイトが必要であり、一方のフレームが書き込まれるのと同時に、他方のフレームが処理され投影されることを可能とするために、バッファーにおいては、二つのフルフレームに対して十分なメモリを有することが望ましい。格納されたデータは、速度プロファイラ１３０の制御のもとフォーマッタ１２８へ送られ、走査することに起因する固有の内部歪の他に、投影する画像の表示角度に起因する幾何学歪も補正するために、赤色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３２、青色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３４、および緑色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３６へ送られる。その結果得られる赤色、青色、および緑色デジタル信号は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１３８、１４０、１４２により、赤色、青色、および緑色アナログ信号へ変換される。赤色および青色アナログ信号は、赤色レーザー駆動部（ＬＤ）１４４、青色レーザー駆動部（ＬＤ）１４６に入力され、それらは、赤色パワーコントローラ１１６および青色パワーコントローラ１１８へ同様に接続されている。緑色アナログ信号は、音響光学モジュール（ＡＯＭ）高周波（ＲＦ）駆動部１５０へ入力され、かつ緑色レーザー３４へ入力され、緑色レーザー３４は、緑色ＬＤ１４８および緑色パワーコントローラ１２０へ同様に接続されている。

フィードバック制御部は、同様に図７Ａおよび図７Ｂにおいて示され、赤色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５８、青色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６０、緑色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６２、およびマイクロプロセッサ１１４に接続された、赤色フォトダイオード増幅器１５２、青色フォトダイオード増幅器１５４、および緑色フォトダイオード増幅器１５６を含む。熱は、Ａ／Ｄ変換器１６６、かつマイクロプロセッサに接続されるサーミスタ増幅器１６４によって測定される。

走査ミラー６４および６８は、ＤＡＣ１７２および１７４からのアナログ駆動信号が入力され、かつマイクロプロセッサへ接続される駆動部１６８および１７０により駆動される。フィードバック増幅器１７６および１７８は、走査ミラー６４および６８の位置を検出し、フィードバックＡ／Ｄ１８０および１８２へ接続され、かつマイクロプロセッサへ接続される。

パワー管理回路１８４は、望ましくは、常時緑色レーザーの電源をオンに保ち、赤色および青色レーザーの電流をレーザー発振閾値のわずか下に保つことによって、高速なオンタイムを可能としながら、パワーを最小限に抑えるように動作する。

レーザー安全停止回路１８６は、走査ミラー６４または６８のどちらかが規定値外にあることが検出された場合に、レーザーの電源を切るように動作する。
次に図８を参照すると、赤色および青色ビームのための前述のレンズ２４および３０は、走査ミラー６４と投影面との間に位置する焦点位置において、解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するように各レーザービームを集光することによって、拡張された視距離に亘って、所望の多数の画素を有する所望の高解像度を有する各走査線を形成するために、それぞれのレーザービームを光学的に整形するように動作する。この状況は、図８おいて概略が示され、図９において曲線Ｆによりグラフで描写される。

従って、図８においては、各ビームスポットまたは画素は簡略化のために円で示されており、解像度Ｎは各走査線上における区別できる画素の数である。Ｘミラー６４は寸法Ｄを有し、走査角θで振動している。距離ｚはＸミラー６４と投影面との距離を特定する。ビームは、波長λを有し、焦点位置Ｚｏにおいて走査寸法Ｗｏを有するビームウェストを形成するために集光されている。レイリー距離は、走査寸法Ｗｏが、Ｗｏよりも１．４１４倍増加した場所として定義される。解像度が最大値となる位置はＺｍａｘである。開始位置Ｚｓは、解像度が所望の値以下とならない拡張された視距離の開始位置である。レーザービームの広がり角は、４λ／πＷｏである。

図９において、曲線Ｅは、ビームウェストがＸミラー６４上に形成されるようにレーザービームが集光された場合における、Ｘミラーからの距離に対する解像度の変化を表している。曲線Ｅは、解像度が距離Ｚに応じて増加し、Ｘミラーから非常に遠方において、最大値Ｎｍａｘ（例えば約１４００画素）に最終的に達することを示している。所望の高解像度Ｎ（例えば１０００画素を少し下回る）は、曲線Ｅと開始位置Ｚｅにおいて交差する。

一方、曲線Ｆは、より早く立ち上がり、レーザービームがＸミラー６４と投影面との間にビームウェストを形成するように集光された場合における、Ｘミラーからの距離に対する解像度の変化を示している。曲線Ｆは、Ｚｍａｘにおいて解像度が最大値Ｎｍａｘに達し、所望の高解像度Ｎは、開始位置Ｚｓにおいて達せられることを示している。

曲線Ｅと曲線Ｆを比較することにより、曲線ＦはＸミラー６４からより近い開始距離で解像度Ｎに達する、すなわち、ＺｓはＺｅよりも小さいことが分かる。曲線Ｆは、さらに近い距離Ｚｍａｘ、すなわち、Ｚｍａｘが開始距離の約２倍（Ｚｍａｘ＝２Ｚｓ）であり、Ｘミラーからさほど遠方にはない距離において最大解像度に到達する。

従って、曲線Ｆは、至近距離の開始位置Ｚｓから開始する所望の高解像度を得るため、そして、遠方、すなわち無限遠まで終始高解像度を維持するための望ましいアプローチである。

走査寸法Ｗｏ、解像度Ｎ、および走査角θの間の関係は、以下の関係式：Ｗｏ＝２λＮ／πｔａｎ（θ／２）により表される。従って、解像度Ｎの値を選択することにより、既知の走査角に対して走査寸法Ｗｏを計算することができる。望ましい実施形態においては、拡張された視距離に亘ってＶＧＡ、または約１０００以上の解像度を得るために、Ｘミラーの寸法は、０．９ｍｍを上回る値とすべきである。Ｘミラーからの望ましいウェスト位置Ｚｏは、１００ｍｍから約１．５メートルの範囲とすべきである。走査寸法Ｗｏは、約０．０８ｍｍから約１．２ｍｍとすべきである。

ビームウェストの走査寸法Ｗｏは、レーザービームがＸミラーによってクリップされないように、Ｘミラーの寸法Ｄ以下とすることが同様に望ましい。光のスループットは最大の輝度で画像を生成するために最大化されるべきである。

本装置で用いられる半導体レーザーは、非常に大きなビーム広がりを有する。従って、光学アセンブリは、小さなビーム広がりを有するようにレーザービームを整形し、これは、所望のビームウェスト寸法を有するレーザービームを形成することと同義である。広がり角は走査寸法Ｗｏと反比例の関係にあるため、走査寸法Ｗｏの寸法設定は、広がり角の大きさと、画像の解像度を支配する。しかしながら、球面光学素子の周辺端部に衝突したビーム広がり端部における光線は、光軸上の光線から外れ、その結果、多数の光学素子が使われない限り、ビームウェストは大きくなり、解像度が減少する。しかしながら、多数の光学素子の使用は、重量および寸法が重要な小型画像投影装置においては許容されない。従って、光学素子は一つまたは複数の非球面を有するべきである。

新規な、特許証によって保護されることが望まれるものとして請求される事項は、添付の特許請求の範囲に記述されている。

作動距離において画像を投影している携帯用機器の斜視図である。 図１の機器に取り付けるための、本発明に基づいた画像投影装置の拡大した俯瞰斜視図である。 図２の装置の上面図である。 図２の装置において用いるための慣性駆動部の正面斜視図である。 図４の慣性駆動部の背面斜視図である。 図２の装置の実際の実装品の斜視図である。 図２の装置の動作を表す概略の電気ブロック図である。 図２の装置の動作を表す概略の電気ブロック図である。 図２の画像投影装置において用いられる光学素子の動作を表す線図である。 図２の画像投影装置で用いられる走査ミラーからの距離に対する解像度を表した二つのグラフのプロットの図であり、一つのグラフはレーザービームが走査ミラーに集光された場合を示しており、もう一方のグラフは、本発明に従って、レーザービームが走査ミラーと遠方の投影面との間に集光された場合を示している。

Claims (18)

1. 投影面上に拡張された視距離に亘って視認される画像を投影するための装置であって、
   ａ）レーザービームを生成するレーザーアセンブリと、
   ｂ）走査軸を中心に振動可能な走査ミラーを含み、前記拡張された視距離内において、前記投影面上に、前記走査ミラーの振動の間、各々複数の画素を有する複数の走査線のパターンとして前記レーザービームを掃引するスキャナと、
   ｃ）前記レーザーアセンブリと前記スキャナに対して動作可能に接続され、前記走査線に沿って選択された画素を前記レーザービームによって照明し、可視状態として前記画像を生成する制御装置と、
   ｄ）前記走査ミラーおよび前記投影面との間に位置する焦点位置において、解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するように前記レーザービームを集光することによって、前記レーザービームを光学的に整形して、前記拡張された視距離に亘って、所望の多数の前記画素を有する所望の高解像度を有する各走査線を形成する光学素子と
   を備える画像投影装置。
2. 前記レーザーアセンブリは、異なる波長の複数のレーザービームをそれぞれ生成する複数のレーザーを含み、前記光学素子は、前記レーザービームをほぼ同一線上へ配置して、前記走査ミラーへ導かれる合成ビームとして前記レーザービームを形成するように作用する、請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記レーザーは、赤色および青色レーザービームをそれぞれ生成する赤色および青色半導体レーザーを含む、請求項２に記載の画像投影装置。
4. 前記レーザーは、ダイオード励起ＹＡＧレーザーと、緑色レーザービームを生成する光学第二高調波発生器とを含む、請求項３に記載の画像投影装置。
5. 前記走査ミラーは、第１走査角の間、第１走査レートで、第１方向に沿って前記合成ビームを掃引するように動作し、前記スキャナは、前記第１走査角と異なる第２走査角の間、前記第１走査レートと異なる第２走査レートで、前記第１方向に実質的に垂直な第２方向に沿って前記合成ビームを掃引する別の振動可能な走査ミラーを含む、請求項２に記載の画像投影装置。
6. 前記走査ミラーの少なくとも一つが慣性駆動部によって振動される、請求項５に記載の画像投影装置。
7. 前記レーザーアセンブリ、前記スキャナ、および前記光学素子を備える、請求項５に記載の画像投影装置。
8. 前記制御装置は、前記選択された画素を照明する前記レーザーアセンブリを励起状態にする手段と、前記選択された画素以外の画素を照明しないために前記レーザーアセンブリを非励起状態にする手段とを含む、請求項１に記載の画像投影装置。
9. 前記光学素子は少なくとも一つの非球面を有するレンズを含む、請求項１に記載の画像投影装置。
10. 投影面上に拡張された視距離に亘って視認される二次元カラー画像を投影するための装置であって、
    ａ）支持体と、
    ｂ）複数の赤色、青色、および緑色レーザービームをそれぞれ放射するための、前記支持体上の赤色、青色および緑色レーザーを含むレーザーアセンブリと、
    ｃ）走査軸を中心に振動可能な走査ミラーを含み、前記走査ミラーの振動の間、前記拡張された視距離内の前記投影面上の各々複数の画素を有する複数の走査線のパターン中に、前記各レーザービームを掃引する前記支持体上のスキャナと、
    ｄ）前記レーザーアセンブリおよび前記スキャナに対して動作可能に接続され、選択された画素を前記各レーザービームによって照明し、可視状態として前記画像を生成する制御装置であって、少なくともいくつかの前記レーザービームを前記選択された画素を照明するために選択して前記画像をカラーで生成するように動作する、前記制御装置と、
    ｅ）前記走査ミラーと前記投影面との間に位置する焦点位置において、前記解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するように、少なくとも一つの前記レーザービームを集光することによって、少なくとも一つの前記レーザービームを光学的に整形して、前記拡張された視距離に亘って、所望の多数の前記画素を有する所望の高解像度を有する各走査線を形成する前記支持体上の光学アセンブリと
    を備える画像投影装置。
11. 前記走査ミラーは、第１走査角の間、第１走査レートで、第１方向に沿って前記各レーザービームを掃引するように動作し、前記スキャナは、前記第１走査角と異なる第２走査角の間、前記第１走査レートと異なる第２走査レートで、前記第１方向に実質的に垂直な第２方向に沿って前記各レーザービームを掃引する別の振動可能な走査ミラーを含む、請求項１０に記載の画像投影装置。
12. 前記走査ミラーの少なくとも一つが慣性駆動部によって振動される、請求項１１に記載の画像投影装置。
13. 前記光学アセンブリにおいて、前記光学素子が少なくとも一つの非球面を有するレンズを含む、請求項１０に記載の画像投影装置。
14. 投影面上に拡張された視距離に亘って視認される画像を投影するための装置であって、
    ａ）レーザービームを生成するレーザー手段と、
    ｂ）走査軸を中心に振動可能な走査ミラーを含み、前記拡張された視距離内において、前記投影面上に、前記走査ミラーの振動の間、各々複数の画素を有する複数の走査線のパターンとして前記レーザービームを掃引するスキャナ手段と、
    ｃ）前記レーザーアセンブリおよび前記スキャナに対して動作可能に接続された制御手段であって、前記走査線に沿って選択された画素を前記レーザービームによって照明し、可視状態として前記画像を生成する制御手段と、
    ｄ）前記走査ミラーと前記投影面との間に位置する焦点位置において、解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するように前記レーザービームを集光することによって、前記レーザービームを光学的に整形して、前記拡張された視距離に亘って、所望の多数の前記画素を有する所望の高解像度を有する各走査線を形成する光学的手段と
    を備える画像投影装置。
15. 投影面上に拡張された視距離に亘って視認される二次元画像を投影するための画像投影モジュールであって、
    ａ）支持体と、
    ｂ）レーザービームを生成する前記支持体上のレーザーアセンブリと、
    ｃ）走査軸を中心に振動可能な走査ミラーを含み、前記拡張された視距離内において、前記投影面上に、前記走査ミラーの振動の間、各々複数の画素を有する走査線のパターンとして前記レーザービームを掃引するための前記支持体上のスキャナと、
    ｄ）前記レーザーアセンブリおよび前記スキャナに対して動作可能に接続され、前記走査線に沿って選択された画素を前記レーザービームによって照明し、可視状態して前記画像を生成する制御装置と、
    ｅ）前記走査ミラーと前記投影面との間に位置する焦点位置において、前記解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するように前記レーザービームを集光することによって、前記レーザービームを光学的に整形して、前記拡張された視距離に亘って、所望の多数の前記画素を有する所望の高解像度を有する各走査線を形成する、前記支持体上の光学素子と
    を備える画像投影装置。
16. 投影面上に拡張された視距離に亘って視認される二次元画像を投影する方法であって、
    ａ）レーザービームを生成する工程と、
    ｂ）軸を中心として走査ミラーを振動させることによって、各々複数の画素を有する複数の走査線のパターンとして前記レーザービームを掃引する工程と、
    ｃ）前記走査線に沿って選択された画素を前記レーザービームによって照明し、可視状態として前記画像を生成する工程と、
    ｄ）前記走査ミラーと前記投影面との間に位置する焦点位置において、解像度に比例した走査寸法を有するビームウェストを形成するように前記レーザービームを集光することによって、前記レーザービームを光学的に整形して、前記拡張された視距離に亘って、所望の多数の前記画素を有する所望の高解像度を有する各走査線を形成する工程と
    を備える方法。
17. 前記生成する工程は、異なる波長の複数のレーザービームを生成することにより行われ、前記レーザービームをほぼ同一線上へ配置して、前記走査ミラーに導かれる合成ビームとして前記レーザービームを形成する工程を備える請求項１６に記載の画像投影方法。
18. 前記集光する工程は、少なくとも一つの非球面を有するレンズにより行われる、請求項１６に記載の画像投影方法。

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