JP2010026443A - 走査方法及び映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向反射器の振動振幅と振動周波数をより有効に映像投射に利用できる映像投影方法を実現する。
【解決手段】光源から放射され概略直進する指向性を持った光線１０３を、２軸の回転軸を有する偏向反射器２０１により偏向し、反射した光線１０４がスクリーン１０２に映す輝点を走査することにより映像を映す。偏向反射器２０１は内側回転軸２０１ａで垂直方向に回転し、外側回転軸２０１ｂで水平方向に回転する。内側回転軸２０１ａの方が回転させる構造物が小さくなるため、外側回転軸２０１ｂより高い周波数で動作させることができる。高周波な振動を垂直方向とすることで、高周波数側の偏向角度の振幅を小さくする。低周波な振動を水平方向とすることで、低周波側の偏向角度を大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像を表示するテレビジョン・プロジェクタ等の映像表示装置、及び特に輝点を走査することにより映像を表示する映像表示装置の走査方法に関する。
本発明は、光により物体を加工する装置の光走査方法、及び光を目標物に照射し目標物からの反射光を測定することで目標物の位置、構成成分を検出する装置、あるいは網膜をスクリーンとしたプロジェクタ装置の光走査方法に応用することができる。

従来の映像表示装置の要部を図９に示す。入射光１０３は偏向反射器１０１により偏向反射され、スクリーン１０２に投影されて輝点となる。偏向反射器１０１は直交する２つの回転軸を有しており、回転軸により反射器の角度を変えることができる。
図１０に示すように、反射器の角度が変わることで反射光１０４の方向が変わり、スクリーン１０２上での輝点の位置が変わる。この輝点を映像表示に利用するため、偏向反射器１０１を図１１に示すような軌跡の走査線を描くように動かす。図１１中の実線部分は実際に映像表示に使う部分を、破線部分は映像表示に使わない帰線を表している。
偏向反射器１０１の位置と同期して入射光１０３を映像信号で変調する。入射光１０３は赤・青・緑の３色が映像信号の３色成分に相当し独立に変調される。

この動作はブラウン管テレビジョンと基本的に同じである。ブラウン管テレビジョンは入射光１０３の代わりに電子ビームを、偏向反射器１０１の代わりに偏向コイルによって電子ビームの向きを変えている。
ブラウン管テレビジョンではズ１１に示すような走査を行っているが、偏向反射器１０１により光を図１１のように走査させるのは難しい。
テレビジョン映像を表示するには１秒間に３０回ほどスクリーン面を走査しなくてはならず、物理的に偏向反射器を動かすには周波数が高い。また、図１１のような走査は偏向反射器をのこぎり波あるいは三角波で動かす必要があり、これはより高次の周波数成分を含むため、より困難になる。
特許文献１では、偏向反射器の角度制御が容易になるように、偏向反射器を基本波で動かす方法と周波数の設計方法が開示されている。

特表２００５−５２６２８９号公報 特開２００５−５２６２８９号公報 特開２００３−０４３３９８号公報 特開２００５−２７０５６３号公報

偏向反射器により反射光の輝点を走査させる場合、投射される画像のサイズは反射器の振れる角度に大きく依存する。偏向反射器の位置からスクリーンの位置までの距離が同じなら、反射器を大きな角度で振れるほど投射される映像は大きくなる。
例えば直交する軸をそれぞれ基本波で動かすと図１２に示すような走査が行われる。この例では図中の水平方向と垂直方向の周波数の比は１０：３である。水平方向と垂直方向の基本波の位相差はゼロの場合を例示している。
一般にテレビジョン映像は長方形をしている。映像の横方向（一般に水平方向）と縦方向（一般に垂直方向）の比（以後アスペクト比と呼ぶ）は４：３、あるいは１６：９、あるいは１６：１０のように設計されている。

これを偏向反射器の角度と考えると、垂直方向の振れ角に比べ水平方向の振れ角の方を大きくする必要がある。
また、映像を走査していることが視覚的に気にならないようにするには、偏向反射器を高速に動かさなくてはならない。
一般にテレビジョンでは１秒間に６０回の画面描画が必要である。そして、映像の垂直方向の解像度が例えば４８０本だとすると、水平方向の走査周波数は、４８０×６０＝２８，８００となり、約３０ｋＨｚ程度必要である。
このような高い周波数の振動を実現するために、半導体プロセスで小型の反射器を形成することが行われている。反射器を小さく薄く軽くすることで反射器の構成部の固有振動周波数を高く設計できる。
しかしながら、前述の約３０ｋＨｚの周波数で大きな振れの振幅を得るのは容易ではない。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、偏向反射器の振動振幅と振動周波数をより有効に映像投射に利用できる映像投影方法を実現することを、その目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、光源から放射され概略直進する指向性を持った光線を、少なくとも２軸の回転軸を有する偏向反射器により偏向し、反射した光線がスクリーンに映す輝点を走査することにより映像を映す走査方法において、投影映像の長手方向の走査周波数が、他方向の走査周波数に比べ低いことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の走査方法において、前記偏向反射器の振動を模する振動モデルを用い、前記振動モデルの振動より前記光源の光線が描くスクリーン上の輝点の位置を算出し、入力映像信号よりスクリーン位置に対応する画素情報を取得し、取得した画素情報に基づき前記光源の強度を変調することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項２記載の走査方法において、前記振動モデルを、発光する色毎に独立に用いることを特徴とする。

請求項４記載の発明では、請求項３記載の走査方法において、前記偏向反射器の実際の偏向方向を検知し、前記振動モデルの補正を行うことを特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の走査方法において、前記偏向反射器の反射部の前記２軸は共に略共振振動をしていることを特徴とする。
請求項６記載の発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の走査方法において、走査方向にかかわらず輝点位置に対応する入力映像信号の画素を表示することを特徴とする。
請求項７記載の発明では、映像表示装置において、請求項１〜６のいずれかに記載の走査方法を実施可能であることを特徴とする。

本発明によれば、周波数の高い軸の振幅を小さくすことができる。よって高い振動周波数での偏向反射器の設計及び製造を容易にすることができる。
代わりに周波数の低い軸の振幅は大きくする。振幅を大きくすると周波数の低い軸に設計・製造の困難さが増すが、高周波数側に比べ設計に余裕があるため、高周波数で大きな振幅を得るよりも容易な設計となる。
振動モデルにより偏向反射器の動きを推測することで、偏向反射器の実際の動きを完全に把握しなくとも映像を表示させることができる。これにより偏向反射器の制御機構を簡素化できるため、構成部品数の削減・部品の小型化・コストの削減が可能となる。
振動モデルを色を再現する原色毎に用意することで、原色毎の光学的軸のずれを補正することができる。光学部品を完全に理想的な位置に配置・組み付けすることはコストがかかるが、組み付け誤差を補正することができるため組み付けに要求される精度を低くすることができ、組み付けコストの低減及び製造歩留まりの向上を期待できる。

偏向反射器と振動モデルの間の関連づけがまったく無いと、振動モデルの推測する振動と実際の反射器の振動の誤差が累積し映像が乱れてしまう。少なくとも偏向反射器の動きに関連する情報を振動モデルへ伝えることで、振動モデルの振動を実際の反射器の振動に近づけることができる。実際の反射器の振動は機械的な部品で構成されるため、温度の変化による振動特性の変化・気圧および風の変化による空気抵抗の変化・風による空気抵抗の変化により振動特性が変わる。この時、映像に歪が生じないよう、その変化の影響を抑えられる。
偏向反射器の振動を共振状態に近い状態で用いることで、少ないエネルギーで大きな偏向角度を得ることができる。これは、映像投影に用いるとき短い投射距離で大きな映像を得る時に有利である。
走査線が振動している時、走査の方向によらず映像を表示するよう構成することで、映像を表示しない無駄な走査時間を減らすことができ、ある時間当たりの有効な走査密度が上がり映像表示期間が長くできるため、明るい投影映像を表示すること、映像の密度を上げること、映像の解像度を上げることができる。
また、小型でエネルギー消費の少ない映像投影装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る映像表示装置の要部を示している。図９との違いは偏向反射器を９０度回転した状態で利用している点である。
図１において、符号２０１は偏向反射器を、２０１ａは水平方向において左右に対存在する内側回転軸を、２０１ｂは垂直方向において上下に対存在する外側回転軸をそれぞれ示している。
一般に２つの軸を持つ偏向反射器は回転軸が２重の構造になっている。偏向反射器２０１は内側回転軸２０１ａで垂直方向に回転し、外側回転軸２０１ｂで水平方向に回転する。内側回転軸２０１ａの方が回転させる構造物が小さくなるため、外側回転軸２０１ｂより高い周波数で動作させることができる。

映像を走査する場合、水平方向を主走査とするが、水平方向は垂直方向に比べ辺の長さが長い。よって、高周波で高振幅の振動が必要となり偏向反射器の設計が難しくなる。
本実施形態では、高周波な振動を垂直方向とすることで、高周波数側の偏向角度の振幅を小さくする。また、低周波な振動を水平方向とすることで、低周波側の偏向角度を大きくする。
ここでは説明の都合上水平方向と垂直方向と表記したが、重力方向にとらわれるわけではない。投影する映像の縦と横の比を比べ、辺の短い方を主走査として偏向反射器２０１の振動周波数が大きい方に割り当てて使う。
アスペクト比が１に比べ高い（あるいは小さい）映像になるほど高周波振動する側の負担を減らせる。

図２に走査線の様子を示す。映像のアスペクト比は１６：９で、周波数の比は１０：３とした場合を例示している。図２（ａ）は従来の走査方法の場合である。図２（ｂ）は偏向反射器の振動周波数は変えずに縦と横を入れ替えて、同じ映像領域を走査する場合である。図２（ｃ）では縦長画面を走査する例である。
このようにすると、周波数の高い軸の振幅を小さくすことができる。よって高い振動周波数での偏向反射器２０１の設計及び製造を容易にすることができる。
代わりに周波数の低い軸の振幅は大きくする。振幅を大きくすると周波数の低い軸に設計・製造の困難さが増すが、高周波数側に比べ設計に余裕があるため、高周波数で大きな振幅を得るよりも容易な設計となる。
図２では周波数を変えていないが、周波数の低い軸の周波数も若干上げて、走査密度を上げても良い。
本実施形態では２軸を有する偏向反射器２０１を用いたが、図３に示すように、１軸の偏向反射器２０１Ａ、２０１Ｂが互いに略直交する偏向方向を持つよう配置されている場合も同様である。

図４に映像プロジェクタとしての構成例を示す。
ビデオデコーダは映像信号の色情報と垂直・水平タイミング情報から画素の色と位置を再構成しフレームメモリーへ画素情報を書き込む。フレームメモリーは少なくとも１画面分の映像情報を記憶する。信号発生器１は偏向反射器の軸１を振動させる信号を発生する。信号発生器２は偏向反射器の軸２を振動させる信号を発生する。
出力制御部は信号発生器１と信号発生器２の発生する信号のタイミングに合わせて偏向反射器の動きを推測し、偏向反射器の反射光の位置を算出する。
算出した位置に対応した画素情報をフレームメモリーから読み出し、その色信号に応じドライバＲ、ドライバＧ及びドライバＢへ信号を送る。
ドライバＲは入力した信号からＬＤ−Ｒを駆動する。ドライバＧは入力した信号からＬＤ−Ｇを駆動する。ドライバＢは入力した信号からＬＤ−Ｂを駆動する。
ＬＤ−Ｒは指向性を持った光を発生する。発生した光は偏向反射器に照射し、向きを変えられスクリーン上の輝点となる。ここでは映像の赤成分を照射する。ＬＤ−Ｇは指向性を持った光を発生する。発生した光は偏向反射器に照射し、向きを変えられスクリーン上の輝点となる。ここでは映像の緑成分を照射する。ＬＤ−Ｂは指向性を持った光を発生する。発生した光は偏向反射器に照射し、向きを変えられスクリーン上の輝点となる。ここでは映像の緑成分を照射する。光源としては例えばＬＥＤあるいはレーザー発信器が望ましい。

ドライバ１は信号発生器１の信号に基づき偏向反射器の軸１を駆動する。ドライバ２は信号発生器２の信号に基づき偏向反射器の軸２を駆動する。
偏向反射器は入射する光を反射する。反射方向は略直交する軸１と軸２により方向を変えることができる。例えば軸１は投影する映像の水平方向に向きを変える。軸２は映像の垂直方向に向きを変える。
検知器は実際の反射器（反射面部）の位置を検出し、反射器の角度と関連する信号を発する。例えば反射器の角度を反射器を支える軸のねじれより歪みセンサーで検出する。あるいは、反射器で反射された光を光検知器（たとえばフォトダイオード）で検知すると、反射器がフォトダイオードが設置された方向に輝点を照射するタイミングが判る。

図５はＬＤ−Ｒ、ＬＤ−Ｇ、ＬＤ−Ｂと偏向反射器の配置構成を表している。
符号３０１はＬＤ−Ｒ、３０２はＬＤ−Ｂ、３０３はＬＤ−Ｂを示しており、半導体レーザーを用いている。符合３０４はダイクロックミラーを、２０１は偏向反射器を、３０５はレンズ（カップリングレンズ）を示している。
半導体レーザー３０１、３０２、３０３から照射される光はそれぞれレンズ３０５により拡散角度を狭められ直進する光に整形される。それぞれの３本の光はダイクロックミラー３０４により１本の光に合成される。合成された光は偏向反射器２０１により反射され方向を変える。

図６は図４の出力制御部を詳しく示した図である。
振動モデル１は偏向反射器の軸１の振動を模し、偏向方向を算出する。振動モデル２は偏向反射器の軸２の振動を模し、偏向方向を算出する。
座標算出部は振動モデルより算出された軸１及び軸２の位置より出力すべき画素の座標を決定する。また、投影映像の歪み補正のため座標補正部のパラメータに従い座標変換を行う。
バッファ読み出し部は座標算出の座標値に対応する画素をフレームバッファより読み出す。
これら振動モデル１、振動モデル２、座標算出、バッファ読み出しは少なくとも３系統、例えば赤、青、緑の成分の３系統を有し、それぞれ、映像の色成分毎に処理を行う。
画素補正部は画素の色を補正する。フレームバッファに記憶された値に対し、ガンマ補正、色補正、明るさ・コントラスト補正を行う。
画素補正により補正された３色分の画素データはそれぞれのドライバへ送られる。

振動モデルは、例えばサイン波を発生する。偏向反射器が共振により振動している場合、サイン波は良い近似を得られる。サイン波の位相は検知器により補正することで、実際の反射器の向きに合わせることができる。反射器の振動を表しているならサイン波でなくてももちろん良い。
図７に示すように色毎に光軸にずれがあると、画素のスクリーン上の輝点の位置が色毎にずれてしまう。図７（ａ）では反射器への入射角度が異なる場合を、図（ｂ）では反射器への入射位置が異なる場合を示している。
このような場合、３系統ごとの振動モデル間の位相を僅かに進めたり遅らせたりすることで、スクリーン上での見かけの位置を修正できる。あるいは、振動モデルから算出するスクリーン上の輝点の座標値を修正する。

図８に色毎に輝点がずれた場合の走査の様子を示す。符号４０１の太線で示す範囲が一つの色の輝点が走査する部分であり、４０２で示す範囲は他の色の輝点が走査する部分となる。この例では水平方向と垂直方向にずれている。
例えば、４０１にくらべ４０２が右方向に２画素分ずれていた場合には、振動モデルから算出される４０２の座標を左へ２ドットずらせばよい。縦方向も同様である。
このような色による輝点のずれは起こらないように色毎の光軸を調整するのが望ましいが、調整に必要なコストを考慮すると完全に一致させるのは難しい。光学的な調整の補助として、振動モデルの座標値を補正して用いると良い。
振動モデルにより偏向反射器の動きを推測することで、偏向反射器の実際の動きを完全に把握しなくとも映像を表示させることができる。これにより偏向反射器の制御機構を簡素化できるため、構成部品数の削減・部品の小型化・コストの削減が可能となる。

本発明の実施形態に係る走査方法を示す斜視図である。 走査線を示す図で、（ａ）は従来の走査方法の場合の図、（ｂ）は本発明の走査方法の場合の図、（ｃ）は本発明において縦長画面を走査する場合の図である。 偏向反射器の変形例を示す斜視図である。 映像表示装置制御ブロック図である。 映像表示装置の概要の構成図である。 出力制御部の詳細ブロック図である。 色毎に光軸がずれた場合の走査線の様子を示す図である。 色毎に輝点がずれた場合の走査線の様子を示す図である。 従来の偏向反射器を用いた走査方法を示す斜視図である。 図９の例で偏向反射器の角度が変わった状態を示す図である。 走査線の軌跡を示す図である。 従来において、偏向反射器の直交する軸を基本波で動かした場合の走査線を示す図である。

符号の説明

１０２ スクリーン
１０３ 光線
２０１ 偏向反射器
２０１ａ、２０１ｂ 回転軸
ＬＤ−Ｒ、ＬＤ−Ｇ、ＬＤ−Ｂ 光源

Claims (7)

1. 光源から放射され概略直進する指向性を持った光線を、少なくとも２軸の回転軸を有する偏向反射器により偏向し、反射した光線がスクリーンに映す輝点を走査することにより映像を映す走査方法において、
   投影映像の長手方向の走査周波数が、他方向の走査周波数に比べ低いことを特徴とする走査方法。
2. 請求項１記載の走査方法において、
   前記偏向反射器の振動を模する振動モデルを用い、前記振動モデルの振動より前記光源の光線が描くスクリーン上の輝点の位置を算出し、入力映像信号よりスクリーン位置に対応する画素情報を取得し、取得した画素情報に基づき前記光源の強度を変調することを特徴とする走査方法。
3. 請求項２記載の走査方法において、
   前記振動モデルを、発光する色毎に独立に用いることを特徴とする走査方法。
4. 請求項３記載の走査方法において、
   前記偏向反射器の実際の偏向方向を検知し、前記振動モデルの補正を行うことを特徴とする走査方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の走査方法において、
   前記偏向反射器の反射部の前記２軸は共に略共振振動をしていることを特徴とする走査方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の走査方法において、
   走査方向にかかわらず輝点位置に対応する入力映像信号の画素を表示することを特徴とする走査方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の走査方法を実施可能である映像表示装置。

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