JP2007528020A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

本発明は投影装置に係る。該装置は、読取装置上に複数の光ビームを方向付ける手段を有し、面上に画像を投影するようビームを走査するよう適合される。装置は、スキャナがレンズとその焦点距離との間に位置付けられるようスキャナ後にビームの光学経路に配置される。この配置を介して、調整可能なレンズは、表示された画像の解像を低減することなく投影の角伝搬の低減を可能にする。これによって、順次、所望の距離での画像の投影を可能にし、その一方で、使用可能な光度が十分であるよう寸法が保持される。

Description

本発明は、読取装置上に複数の光ビームを方向付ける手段を有し、面上に画像を投影するよう該ビームを走査するよう適合された投影装置に係る。

現在、マイクロマシン化されたスキャナが開発され、該スキャナは、高周波数で、広い光学走査角を有してレーザビームを走査する潜在性を有する。かかるスキャナは、弱いカンチレバー又はねじれサスペンション・スプリングと、非常に小さな鏡の部分を結合させ、映像速度、即ち１０ｋＨｚのオーダでレーザビームをラスタ走査するよう十分に高い共振周波数を有し得る。

スキャナの小さなマスは、ビーム・スキャナの反射面が非常に小さく、典型的には１５０×１５０μｍ²でなければならないことを意味する。かかる小さな範囲を有して、回折効果が偏向ビームにおきて大きな角伝搬をもたらし、満足のいく解像を得るよう光学走査角が非常に大きい必要がある。望ましい特性を有する緑色のレーザビームは、６０度の走査角で、約３００の解像可能な点（ｒｅｓｏｌｖａｂｌｅ ｐｏｉｎｔｓ）を可能にする。

近年では、また、国際公開第０２／４３０４１号パンフレット（特許文献１）及び特開２００１−０９４９０５号広報（特許文献２）等を参照すると、携帯電話又は携帯情報端末等の携帯装置にマイクロ・プロジェクタを備えるよう提案されている。かかる装置によって、ユーザは、装置のスクリーン上で見るか、又は、装置から距離をおいて画像を投影するかを選ぶことができる。

かかるマイクロ・プロジェクタは、上述された種類のスキャナを有し得る。６０度の走査角を有して、１７ｃｍの距離をおいてＡ５用紙の寸法を有する画像を投影することが可能である。この短い観察距離は、電子メールを読むこと又は映像を見ること等の個人的観察に対して非常に有用であるが、ユーザはまた、より広い距離をおいて画像を表示したいこともある。例えば、友人と画像を共有する際には、５０ｃｍ又はそれ以上の距離で画像を表示したい。

スキャナから反射されるレーザビームは平行にされるため、その距離で同一の光学走査角を有して画像を表示することは、依然として鮮明な画像をもたらす。しかしながら、範囲は、画像の輝度が不十分である範囲にまで拡大される。

同一の画像範囲を保持するよう、走査角は、駆動振幅を低減することによって低減され得る。しかしながら上述された通り、走査角は、画像解像度の低下に繋がるため、低減されてはならない。

あるいは、正レンズは、走査されたビームが通過するよう位置付けられ得る。しかしながら、これは、より近い距離での画像の投影を除外する。

可変ファクタを有するレーザビームの走査角を拡大することができる光学ユニットは、専門的なディスプレイのアプリケーションに対して既知である。例えば、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ−ａｇ．ｄｅ）は、画像寸法を変えるようズームのオプションを有する変換光学システムを既に使用する。しかしながら、このシステムは、数平方メートルの画像を投影することができる専門的なプロジェクタに対して最適化される。レーザビームの強度は非常に高いため、高品質レンズが機械的集束システムを伴って使用されなければならない。これは、価格及び寸法の理由で携帯装置においては許容不可能である。
国際公開第０２／４３０４１号パンフレット 特開２００１−０９４９０５号広報

本発明は、異なる距離で画像を投影することができるマイクロ投影用の装置に普遍の解像度及び寸法を与えることを目的とする。更には、本発明は、小型でコスト効率がよく、可動部分を有さないかかる装置を与えることを目的とする。

これらの及び更なる目的は、冒頭で説明された種類の投影装置を有して達成される。該装置においては、調整可能なレンズは、スキャナがレンズとレンズの焦点距離との間に位置付けられるよう、スキャナ後にビームの光学経路に配置される。

この配置によって、調整可能なレンズは、表示された画像の解像度を低減することなく投影の角伝搬の低減を可能にする。これによって、所望の距離における画像の投影が順次可能になり、その一方で使用可能な光度が十分である寸法を保持する。

望ましい一実施例によれば、調整可能なレンズは、エレクトロウェッティング・レンズである。かかるレンズは、適用に対して適切な光学特性を有し、簡易に電圧制御され得る。

望ましくは、調整可能なレンズは、少なくとも２つの屈折面を有し、改良を可能にする。

一実施例によれば、ビームは異なる色を有し、プロジェクタは、前述のビームを変調し、１つの結合ビームを形成する手段を有する。更には、スキャナは、ラスタ・パターンで結合ビームを走査するよう配置された二次元スキャナである。あるいは、一方向において延びるビームのアレイは、光変調器又は光弁のアレイによって形成され、スキャナはアレイに対して垂直な方向にビームのアレイを走査するよう配置される。

本発明のこれらの及び他の面は、本発明の現今望ましい実施例を図示する添付の図面を参照して、これより更に詳細に説明される。

本発明に従った投影装置１は、図１中に図示される携帯電話等の携帯装置１５において有利に実行され得る。携帯装置１５は、画像を格納するようメモリ１６を、及び／又は映像又はデータ・ストリームをダウンロードするよう無線通信ユニット１７を典型的には備えられる。画像又は映像のシーケンスは、続いて、装置１５のディスプレイ１８上に映され得るか、又は投影装置１を使用して遠隔の面１９上に投影され得る。図解された場合においては、同一の投影装置１は、両種類の観察に対しても使用され、後方又は前方の投影の選択は、投影装置１からのレーザビーム２の光学経路において配置された鏡映面２０によって達成される。

図２中により詳細に図示される投影装置１は、携帯装置１５に適合され得る寸法を有する。典型的にはこれは、縦横１０ｍｍオーダであることを意味する。

図解された投影装置１において、所望の色は、ビデオ信号によって定義付けられた比率で赤色、青色、及び緑色のレーザビーム３ａ，３ｂ，３ｃを結合することによって得られる。結合されたレーザビーム２は、続いて、読取装置１３に向かって方向付けられ、カラー画像を得るようスクリーン１０上で走査される。

赤色及び青色のレーザビームは、望ましくはレーザダイオード４ａ，４ｂによって作られ、夫々赤色及び青色の波長範囲で光を発する。赤色及び青色のレーザ・ダイオードが現在市販されている一方、緑色のレーザダイオードは、（将来市販される予定ではあるが）現在は市販されていない。図解されるプロジェクタは、したがって、緑色光は、赤外光の２光子を緑色光の１光子に転換する結晶６を与えるダイオード・ポンプ５によって作られる。他のオプション（図示せず）は、アップコンバージョン・ファイバを使用することであり、該ファイバは、ＵＶレーザ・ダイオードを有して励起される際にレーザとして作用する。更に他のオプションは、緑色（及び青色）光の生成に対して光励起半導体レーザ（ＯＰＳＬ）を使用することである。緑色光がダイオード・ポンプ５によって変調されることによってビデオ周波数で変調され得ない場合、光変調器７は、緑色ビームの光学経路において有され得る。

ドライバ８は、映像情報を有するビデオ信号を受け、この情報に従ってレーザビーム３ａ，３ｂ，３ｃを変調するよう配置される。装置は、ダイクロイック・ミラー１１の周囲に配置された一式のレンズ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、及び、ダイクロイック・ミラーと本発明に従った読取装置１３との間に配置された更なるレンズ１２を更に有する。ダイクロイック・ミラー１１は、ＬＣＤプロジェクタより既知である種類のダイクロイック・キューブであり得、有利には非常に小さく安価である。

レンズ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１２、及びダイクロイックミラー１１を通ることによって、レーザビーム３ａ，３ｂ，３ｃは、結合されて読取装置１３上に適合する平行ビーム２に対して平行にされる。例えば、赤色レーザ・ダイオード４からの光は、第１のレンズ１０ａによって集束され、その後ダイクロイック・ミラー１１において結合され、小さなレンズ１２を有して平行にされる。レンズの詳細、相互距離、及び強度は、当業者によって確定され得る。

本発明によれば、少なくとも１つの調整可能なレンズ１４は、スキャナと装置の開口との間のビームの光学経路において配置される。有利には、レンズ１４は、スキャナ１３と後方投影ディスプレイ１８との間の光学経路を干渉しないよう位置付けられる。レンズ１４は、読取装置１３がレンズの焦点距離よりレンズ１４に近いよう配置される。

一実施例によれば、レンズは、強度を変えるよう電圧を有して作動され得るエレクトロウェッティング・レンズである。本発明を実施するよう適切な調整可能なレンズの例は、国際公開第９９／１８５４６号パンフレット及び国際公開第００／５８７６３号パンフレット等において説明される。

レンズ１４の強度は、ユーザによって変更され得、適切な寸法の画像が所望の距離で投影され得る。この目的に対して、携帯装置１５は、機械的制御又はソフトウェアによって生成されたメニュー項目を備えられ得、レンズに印加された電圧を規制するよう制御信号を生成する。

装置１５における光学経路の図解は図３中に図示される。図中、ビームの光学走査角は６０度と推測される。調節可能なレンズ無しで、又は、調節可能なレンズの強度がゼロの場合、所定の寸法を有する画像２２は、距離ｘで投影される。電圧Ｖをエレクトロウェッティング・レンズ１４に印加することによって、強度は増され、画像２２と同一の寸法を有する画像２２’は、距離ｘ’で得られる。

エレクトロウェッティング・レンズが薄いレンズとして扱われる場合、光軸を有するビームの角度に対して、次の関係、

（式１）が持たれる。式中、θ_ｉはレンズを通る前のビームの角度、θ_ｏはレンズを通った後のビームの角度、ｂは画像距離、ｖは物体距離、及び、ｆは焦点距離である。

図３中のレンズは、レンズ中の光の強度が最も低く、レンズとスキャナとの間の距離が最小であるため、完全に充填されており、これが最も望ましい状況である。レンズが完全に充填されているとすると、次の関係、

（式２）が持たれる。式中、Ｒはエレクトロウェッティング・レンズの半径である。

エレクトロウェッティング・レンズの場合、レンズの焦点距離は、レンズの２つの液体の界面によって作られる球面の半径と、レンズの屈折率の相違によって確定される、ことが判明している。その関係は、

（式３）である。

式１において式２及び式３を代入することによって、以下の式（式４）、
ｔａｎθ_０＝ｔａｎ_ｉ−（ｎ_１−ｎ_２）
が得られる。

エレクトロウェッティング・レンズに対しては、ｎ_１−ｎ_２の屈折の率の相違は、最大０．３である。３０度を有する入射角（６０度の光学走査角）に対して、レンズは、屈折ビームの角度を１５度までに低減する。結果もたらされる２２度を有する投影角度によって、３８ｃｍの距離でＡ５画像を投影することが可能であり、調整可能なレンズ無しの状態であった１７ｃｍと比較され得る。３８ｃｍの距離は、情報共有に関連する適用に対して適切に近い。

エレクトロウェッティング・レンズが２つの屈折面を有するよう更に適合される場合、投影角度は、更に低減され得る。かかる第２のレンズの作用に対して、上述されたものと同様の式が導かれ得る。第２の屈折平面を有して達成することが容易である１１度（２２度の光学走査角）までの屈折角度の低減において、１メートルの距離でＡ５画像を投影することが可能である。

本発明の更なる実施例は、上述された例の変形によって得られ得る。例えば、レーザビーム・プロジェクタは、ラスタ走査装置とは異なる種類であり得る。その代わり、光源又は光弁の一次元アレイからのビームは、一次元ビームスキャナを有して走査され得る。あるいは、投影装置は、ＨＰＴＳ，ＬＣＯＳ又はＤＭＤパネル等のマイクロ・ディスプレイを使用し得る。これらの場合の中には、投影レンズが必要とされるものもあり得、続いてこのレンズはエレクトロウェッティングの原理を有して可変にされ得る。

更には、調節可能なレンズはまた、異なる種類であり得る。例えば、液晶レンズも可変にされ得る。更なる情報に関しては、O.A.Zayakin, M.Yu.Loktev, G.D.Love及びA.F.Naumov著、「Proc. Soc. Photo-Opt. Instum. Eng IV International Syposium Optics of the Atmosphere and Ocean」、トムスク、ロシア、１９９９年６月２３−２６日、又は、G.D.Love及びA.F.Naumov著、「Liquid Crystals Today」（The Newsletter of the International Liquid Crystal Society）１０（１）：１−４、２００１年、を参照のこと。

携帯装置１５のディスプレイ１８は、当然のことながら投影装置によって駆動される必要は無いが、ＬＣＤ、動的フォイルディスプレイ、又はプラズマ・ディスプレイ等の個別に駆動されるディスプレイ装置で同様にあり得る。

本発明の一実施例に従った投影装置を備えられた携帯電話の斜視図である。 図１中の携帯電話における投影装置の概略図である。 図２中のプロジェクタの投影ビームの光学経路を示す図である。

Claims (5)

1. 投射装置であって、
   読取装置上に複数の光ビームを方向付け、面上に画像を投影するよう前記ビームを走査するよう適合された手段を有し、
   前記スキャナが前記レンズと前記レンズの焦点距離との間に位置付けられるよう、スキャナの後に前記ビームの光学経路において配置された調整可能なレンズによって特徴付けられる、
   投射装置。
2. 前記レンズは、エレクトロウェッティング・レンズである、
   請求項１記載の投射装置。
3. 前記レンズは、少なくとも２つの屈折平面を有する、
   請求項１又は２記載の投射装置。
4. 前記ビームは、異なる色を有し、
   前記投射装置は、前記ビームを変調し、１つの結合ビームを形成する手段を有し、
   前記スキャナは、前記結合ビームをラスタ・パターンにおいて走査するよう配置された二次元スキャナである、
   請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の投射装置。
5. 前記ビームは、一方向において延びるアレイを形成し、
   前記スキャナは、第２の方向において前記ビームのアレイを走査するよう配置される、
   請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の投射装置。

Images