JP2005242036A - 画像投射装置、および画像投射装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像投射装置の描画光について、複数の光源による光スポットの投影面上の位置を補正可能にすることである。
【解決手段】画像投射装置1は、光を直接変調する手段を有する複数の光源2と、複数の光源2からの光を一本のビームにする光学系3と、繰り返し走査を行うことによりビームを走査する光偏向器5と、光偏向器5で偏向された光の一部を検出し、かつ、複数の画素を有するイメージセンサ11と、イメージセンサ11における光スポットの位置を算出する算出手段13と、複数の光源2からのそれぞれの光のイメージセンサ11における光スポットの位置を、光源2の発光タイミングを調整することで補正する補正手段14を具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザディスプレイ、スキャナ等の画像投射装置に関するものである。

これまでに、直接変調が可能なレーザダイオード、ＬＥＤ等の半導体素子の光源を用い、光源からの光を繰り返し偏向する光偏向器にマイクロミラーを用いた投射型ディスプレイが提案されている。画像情報に応じて直接変調が可能な半導体素子を用いることで、電気光学変調器や音響光学変調器が必要な気体レーザ等に比べ、コストダウンおよび小型化を図ることが出来る。

さらに、マイクロメカニクスと呼ばれる技術を用いた半導体材料であるシリコンの加工技術により、光偏向器として、ミラーの大きさが数ｍｍ角の超小型光偏向器が実現されている（特許文献１参照）。図8に、このマイクロメカニクス技術を用いて作製したマイクロミラーを示す。このマイクロミラーは、シリコン基板31、可動板32、トーションバー33、平面コイル34、ミラー35、電極端子36、永久磁石37から構成される。そして、平面コイル34に駆動電流を流し、永久磁石37との間のロ−レンツ力を利用して可動板32、ミラー35を駆動する電磁型である。

その他にも、静電型や圧電型のマイクロミラーも数多く提案されてきている。上記の半導体発光素子とこれらのマイクロミラーを用いて、小型、省電力の投射型ディスプレイを実現することができる。
特登録02722314号公報

しかしながら、光偏向器と直接変調可能なレーザダイオード、ＬＥＤ等の半導体発光素子などの光源を用いて、一次元若しくは二次元に投影面に変調光を直接走査して高解像度の画像を生成する画像投射装置を実現しようとする際、次の様な問題点がある。すなわち、フルカラー画像の生成等を実現するために複数の光源により１つの画像を形成しようとした場合、各光源が固有の発光遅延を持ち、さらに温度や使用時間などによりその特性が変化するため、それぞれの光源による光スポットの投影面上の位置を補正することが困難であるという課題がある。

上記課題に鑑み、本発明の画像投射装置は、光を直接変調する手段を有する複数の光源と、複数の光源からの光を一本のビームにする光学系と、繰り返し走査を行うことによりビームを走査する少なくとも１つ以上の光偏向器と、光偏向器で偏向された光の一部を検出し、かつ、複数の画素を有する少なくとも１つ以上のイメージセンサと、イメージセンサにおける光スポットの位置を算出する算出手段と、複数の光源からのそれぞれの光のイメージセンサにおける光スポットの位置を、光源の発光タイミングを調整することで補正する補正手段を具備したことを特徴とする。

上記課題に鑑み、本発明の画像投射装置の制御方法は、光を直接変調する手段を有する複数の光源と、複数の光源からの光を一本のビームにする光学系と、繰り返し走査を行うことによりビームを走査する少なくとも１つ以上の光偏向器を具備した画像投射装置の制御方法において、光偏向器で偏向された光の一部をイメージセンサで検出し、イメージセンサにおける光スポットの位置を算出し、複数の光源からのそれぞれの光のイメージセンサにおける光スポットの位置を、光源の発光タイミングを調整することで補正し、任意の投影面上に形成される画像における複数の前記光源からのそれぞれの光スポット位置を制御することを特徴とする。

本発明の画像投射装置ないしその制御方法によれば、画像を形成する為の光を変調する手段を有する複数の光源からの光スポットの位置をイメージセンサで検出し、イメージセンサにおける光スポットの位置を算出して、複数の光源からのそれぞれの光のイメージセンサにおける光スポットの位置を、光源の発光タイミングを調整することで補正するので、投影面上などの複数の変調画素を自動に補正する機能などを有する画像投射装置を実現できる。また、本発明の画像投射装置は、基準位置からの光スポットのズレを検出するために、複数の画素を有したイメージセンサを用いることで、高精度に画素の位置を算出できる。

以下に本発明の一実施形態を説明する。
本発明の一実施形態による画像投射装置は、画像を形成する為の光を変調する手段ないし機能を有する複数の光源と、外部ソースからの描画用信号に検出用信号を付加する変調信号を生成する手段と、検出光と描画光を走査するための光偏向器と、光源からの光による光スポットの位置を検出する複数の画素を有したイメージセンサと、イメージセンサの検出情報を元に複数の光源からの光に対応する光スポットの位置を算出する手段と、複数の光源からの光に対応する光スポットの位置を補正する補正手段とを具備している。ここでは、複数の画素を有したイメージセンサにより光スポットの位置を算出するため高精度に測定でき、それぞれの光源の発光タイミングを調整することで、それぞれの光源による投影面上の光スポットの位置を高精度に補正する。

イメージセンサとは、光学情報を電気信号に変換する装置のことであり、光電変換部・電荷蓄積部・電荷呼び出し部により構成される。イメージセンサには、信号電荷を垂直レジスタ、水平レジスタの順で転送し、出力端子の直前で電圧に変換するＣＣＤ型（Charge Coupled Device、電荷転送素子）や、各画素で電荷から電圧の変換を行い、信号線へのスイッチングにより信号を出力するＣＭＯＳ型（Complementary
Metal Oxide Semiconductor）等があり、本発明ではいずれのセンサによっても所望の目的を達成できる。

本実施形態による画像投射装置の代表的なブロック図を図1に示す。この装置では、変調する手段を有する複数の光源からなる光源部2から出射した光が、混色光学系3により１つの光軸に束ねられる。束ねられた光は、光偏向器駆動回路4により駆動される光偏向器5によって偏向され、偏向された描画光6は、投影面7上に画像として表示される。複数の光源に対応する変調信号は、外部ソース８からの信号と、描画光6の投影面7での光スポットの位置を補正するための検出光12を生成する検出用信号生成部9から出力される複数の光源に対応する信号とにより、画像信号出力部10によって生成される。そして、複数の画素を有したイメージセンサ11により検出光12の光スポットを検知し、光スポット位置算出回路13により複数の光源に対応する検出光12の光スポットの位置を算出する。複数の光源に対応する光スポットの基準位置からのズレ量に応じて、光スポット位置補正回路14によって各光源の発光タイミングの遅延時間を設定し、描画信号生成部（画像信号出力部10）にフィードバックする。光偏向器駆動回路4、検出用信号生成部9、画像信号出力部10、光スポット位置算出回路13、並びに光スポット位置補正回路14は同期回路15によって同期している。イメージセンサ11に必要な分解能は、素子上の検出光の光スポットのサイズによって決まる。精度良く画素の中心を算出するために、図2（a）で示すように、検出光の光スポット16が複数の素子に跨っていることが好ましい。図2(b)に、イメージセンサ11の受光量と走査方向の関係の一例を示す。光スポット位置算出回路13は、図2（b）に示すようなイメージセンサ11から得られた光強度分布から光スポットの中心を算出する。

複数の光源による検出光12の光スポットの位置を補正するためのフローの一例を図3に示す。ここでは一例として、３個の検出光の光スポットの位置を補正するためのフローを示している。まず、検出用信号生成部9により、イメージセンサ11の受光面に検出光12のスポットが入るタイミングで光源aを発光させる変調信号を画像信号出力部10へ送る。画像信号出力部10からの信号により光源aから発光した検出光12は、混色光学系3を経て光偏向器5で偏向され、イメージセンサ11の受光面上に到達し、検出光12の光スポットはイメージセンサ11によって光強度情報に変換される。変換された光強度情報を元に、光スポット位置算出回路13は検出光の光スポット16の中心を算出する。

光源b、光源cについても、光源ａと同じタイミングで、検出光12の光スポット16を発光し、光源aと同様に検出光の光スポット16の中心を算出する。これは、同時的に行なうこともできるし、順に行うこともできる。それぞれの光源による検出光12の光スポット16の算出された中心情報に基づき、光スポット位置補正回路14によって、例えば、光源aの検出光の光スポットの位置を基準に、若しくはイメージセンサ11の或る位置を基準に、光源a、光源b、光源cの発光タイミングを調整する。この為に、各光源の固有の発光遅延などの特性、イメージセンサ上で光スポットがどの様な速度で走るかといったデータを予め調べてこれらを記憶しておいて、こうしたデータを考慮して、光スポットの位置ズレ量に応じて発光タイミングを調整する。以上のループを、各検出用変調画素の走査方向の位置が一致、若しくは或る一定の誤差範囲に収まるまで繰り返す。これは、同時的に行なうこともできるし、順に行うこともできる。

以上により、複数の光源からの検出光12の光スポット16の位置を補正することで、投影面7に画像を形成する描画光6について、複数の光源におけるそれぞれの描画光の光スポットの位置を補正することができ、投影面7に良好な画像を表示できる。

本実施形態で説明した描画光の光スポット位置の補正制御は任意の時に作動させることができる。予めの設定で自動的に行うようにしてもよいし、その都度、外部からの指令で行うようにしてもよい。こうした補正制御は、例えば、上記構成の画像投射装置に、上記手順を実行するためのプログラムを実装することでソフト的に実現できる。

以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。
＜実施例１＞
本実施例は本発明による画像投射装置の第一態様である。本実施例の画像投射装置のブロック図は図1に示されるものと同一である。図4は本実施例の具体的な構成図である。光源部2の変調手段を有するレーザ光源Ｒ17、光源Ｇ18、光源Ｂ19は、光の三原色となる波長630ｎｍ、波長520ｎｍ、波長450ｎｍを有する直接変調可能な３つの半導体レーザ光源である、光源部2から出射した光は、３つのコリメートレンズ20、２つのダイクロイックミラー21、および集光レンズ22よりなる混色光学系3により１つの光軸に収束される。束ねられた光は光偏向器5により偏向され、描画光6はスクリーン23上に画像として表示される。光偏向器5はトーションバーに支持されたミラーを有し、トーションバーの軸回りの回転反復振動により、ミラーに当たる光を偏向させる。ここで用いた光偏向器の他に、ポリゴンミラーを用いることも可能である。光偏向器5で走査される描画光6はスクリーン23に投影され画像を形成する。ここでは投影面をスクリーンとしたが、ヘッドマウントディスプレイにおける網膜（この場合は、光源としてはLEDなどを用いる）を対象とすることも可能である。

光偏向器5によって偏向される光の一部である検出光12は、反射ミラー24で偏向され、検出用集光レンズ25によってイメージセンサである１つのＣＭＯＳ型のラインセンサ26上に光スポットを集光する。ラインセンサ26の複数の画素は光偏向器5の走査方向に対して水平に配置されている。本実施例ではＣＭＯＳ型のラインセンサを用いたが、ＣＣＤ型等のラインセンサ、若しくは、エリアセンサ等を用いることも可能である。この検出用集光レンズ25とラインセンサ26との距離を調整することで、受光素子上に集光する検出光の光スポット16の大きさを変化させることができ、ラインセンサ26の解像度に適した大きさの検出光の光スポット16に調整が可能である。本実施例では光偏向器5の走査中心で描画光6を発光したため検出光12は光偏向器5の走査の端で発光させたが、光偏向器5の走査上のいかなる所でも発光可能である。

本実施例の画像投射装置を用いた複数の光源の光スポットの位置の補正例を図5に示す。まず、図5(i)に示す光源Ｒ17の検出光12の光スポット27をラインセンサ26によって光強度情報に変換する。変換した光強度情報を元に光スポット位置算出回路13で光源Ｒの検出光の光スポット27の位置を算出する。続いて、図5(ii)、図5(iii)に示す光源Ｇ18、光源Ｂ19についても同様に、光偏向器5の異なる走査線においてそれぞれの検出光12の光スポット28、29の位置を算出する。

以上により算出したそれぞれの光スポットの位置情報に基づいて、画素位置補正回路14によって、光源Ｒ17の検出光の光スポット27の位置を基準に、若しくはラインセンサ26の走査方向の中心を基準に、光源Ｒ17、光源Ｇ18、光源Ｂ19の発光タイミングを調整して光スポットの位置を補正する。補正後のそれぞれのラインセンサ26上での光スポット27、28、29は図5(i’), 図5(ii’), 図5(iii’)に示すようになる。

本実施例では１つのイメージセンサを用いたが、光源Ｒ17、光源Ｇ18、光源Ｂ19からの光をＲＧＢ三色分解プリズムで分解し、３つのイメージセンサにより一度に各光源による光スポットを検出することも可能である。また、イメージセンサの画素ごとにＲＧＢのフィルタを形成した１つのカラーのイメージセンサを用いて一度に各光源による光スポットを検出することも可能である。

本実施例により、ＲＧＢ三色の光源と１つの光偏向器を持つ一次元画像投射装置において、それぞれの光源による光スポットの位置を補正することが可能となった。

＜実施例２＞
本実施例は本発明による画像投射装置の第二態様である。本実施例の構成は図4に示す実施例１のものと略同様であるが、光偏向器を２つ搭載し、二次元投影の光偏向器に対応したものである。図6に本実施例の構成を示す。

本画像投射装置は、高速に偏向する主方向光偏向器30と低速に偏向する副方向光偏向器31により二次元画像をスクリーン23に投影する。主方向光偏向器30はトーションバーに支持されたミラーを有し、トーションバーの軸周りの回転反復振動により、ミラーに当たる光を偏向させる。副方向光偏向器31は、ミラーをノコギリ波駆動するステッピングモータの軸に取り付け、ミラーに当たる光を偏向させる。また、本実施例で用いた光偏向器の他にポリゴンミラーを用いることもできる。光偏向器で走査される描画光6はスクリーン23に投影され画像を形成する、本実施例では投影面をスクリーンとしたが、ヘッドマウントディスプレイにおける網膜を対象とすることも可能である。光偏向器30、31によって偏向される光の一部である検出光12は、反射ミラー24で偏向され、検出用集光レンズ25によってイメージセンサの画素が二次元に配置されている１つのＣＭＯＳ型のエリアセンサ32上に光スポットを集光する。本実施例では描画光6を主走査方向および副走査方向の中心で発光したため、検出光12は、副走査方向の両端付近で発光し、さらに主走査方向の走査の中心で発光したが、（こうすれば、主走査方向の光スポットのイメージセンサ上での走査スピードが速くなって位置検出制度が高くなる）、２つの偏向器の走査領域のいかなるところでも発光可能である。本実施例ではＣＭＯＳ型のエリアセンサを用いたがＣＣＤ型等のエリアセンサを用いることもできる。

本実施例の画像投射装置を用いた複数の光源の光スポットの位置の補正例を図7に示す。主方向光偏向器30の異なる走査線、かつ、副方向光偏向器31の同一走査線において検出光12を発光することで、図7(i)に示す光源Ｒ17、光源Ｇ18、光源Ｂ19の検出光の光スポット26、27、28をエリアセンサ32によって光強度情報に変換する。変換した光強度情報を元に光スポット位置算出回路13で光源Ｒ17、光源Ｇ18、光源Ｂ19の検出光の光スポットの位置を算出する。以上により算出したそれぞれの光スポットの位置情報に基づいて、光スポット位置補正回路14によって、光源Ｒ17の検出光の光スポットの位置27を基準に、若しくはエリアセンサ32の主走査方向の中心がそれぞれの光スポットの中心となるように、光源Ｒ17、光源Ｇ18、光源Ｂ19の発光タイミングを調整して光スポットの位置を補正する。補正後のエリアセンサ32上でのそれぞれの光スポットは図7(i’)に示すようになる。本実施例ではエリアセンサ32を用いたが、実施例１のようにラインセンサを主走査方向に水平に配置して複数の光源の変調画素位置を補正することも可能である。

本実施例でも１つのイメージセンサを用いたが、実施例２の所で説明したような３つのイメージセンサや１つのカラーのイメージセンサを用いて一度に各光源による光スポットを検出することも可能である。

本実施例により、ＲＧＢ三色の光源と２つの光偏向器を持つ二次元画像投射装置において、それぞれの光源による光スポットの位置を補正することが可能となった。

本発明の実施形態による画像投射装置のブロック図。 イメージセンサと検出用変調画素の関係(a)、検出用変調画素の走査方向と受光量情報の関係を示す図。 制御フローを示す図。 実施例１による画像投射装置のブロック図。 実施例１による光スポットの位置の補正例を説明する図。 実施例２による画像投射装置のブロック図。 実施例２による光スポットの位置の補正例を説明する図。 従来技術におけるマイクロミラーを示す図。

符号の説明

1 画像投射装置
2 光源部（複数の光源）
3 混色光学系
4 光偏向器駆動回路
5、30、31 光偏向器
11、26、32 イメージセンサ
12 検出光（光の一部）
13 光スポット位置算出回路（算出手段）
14 光スポット位置補正回路（補正手段）

Claims (11)

1. 光を直接変調する手段を有する複数の光源と、複数の前記光源からの光を一本のビームにする光学系と、繰り返し走査を行うことにより該ビームを走査する少なくとも１つ以上の光偏向器と、該光偏向器で偏向された光の一部を検出し、かつ、複数の画素を有する少なくとも１つ以上のイメージセンサと、該イメージセンサにおける光スポットの位置を算出する算出手段と、複数の該光源からのそれぞれの光の該イメージセンサにおける該光スポットの位置を、光源の発光タイミングを調整することで補正する補正手段を具備したことを特徴とする画像投射装置。
2. 前記イメージセンサの画素が、前記光偏向器の走査方向に対して水平に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
3. 前記イメージセンサの画素が、二次元配置されていることを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
4. 前記光源からの光を複数の前記光偏光器により二次元走査することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の画像投射装置。
5. 前記光源が異なる波長を供給する複数の光源であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の画像投射装置。
6. 前記光源が、光の三原色を供給する３つの光源であることを特徴とする請求項5に記載の画像投射装置。
7. 前記光偏向器の少なくとも一つ以上が共振型であり、前記イメージセンサを該光偏向器の走査中心軸上に配置することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の画像投射装置。
8. 光を直接変調する手段を有する複数の光源と、複数の前記光源からの光を一本のビームにする光学系と、繰り返し走査を行うことにより該ビームを走査する少なくとも１つ以上の光偏向器を具備した画像投射装置の制御方法において、該光偏向器で偏向された光の一部をイメージセンサで検出し、該イメージセンサにおける光スポットの位置を算出し、複数の該光源からのそれぞれの光の該イメージセンサにおける該光スポットの位置を、光源の発光タイミングを調整することで補正し、任意の投影面上に形成される画像における複数の前記光源からのそれぞれの光スポット位置を制御することを特徴とする画像投射装置の制御方法。
9. 前記イメージセンサにおける光スポットの位置の算出は、光強度分布からイメージセンサ上の光スポットの中心の位置を算出することで行うことを特徴とする請求項8に記載の制御方法。
10. 異なる複数の前記光源からの光スポットを、前記光偏向器の異なる走査線において検出することを特徴とする請求項8または9に記載の制御方法。
11. 複数の前記光源からの光を、高速な主走査方向用と低速な副走査方向用の２つの光偏向器により二次元走査し、かつ、前記イメージセンサの画素が二次元配置されている画像投射装置を用い、主走査方向用の光偏向器の異なる周期、かつ、副走査方向用の光偏向器の同一周期で、全ての前記光源による光スポットを検出することを特徴とする請求項8または9に記載の制御方法。

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