JP2008541193A - 画素の対称性、特に画像投影装置に対して画素の対称性を上げる装置および方法 - Google Patents

Abstract

透光性の窓を有するハウジング内に特に設けるための軽量小型の画像投影モジュールが、ラスタパターンの選択された画素を照射して、高解像度のＶＧＡの品質の画像をカラーで生成させるように動作する。画素は、レーザビームのビームスポットの狭い方の寸法をラスタパターンの走査線に沿って並べることで、断面が対称にされる。本発明によって、画素の対称性が改善されるシャープで明瞭な２次元カラー画像を投影する画像投影装置を提供される。

Description

本発明は、全体的には、電力消費量が小さく、高解像度で、微小な小型サイズで、動作が静かで、振動を最小限に維持しながら２次元画像をカラーで投影することに関し、さらに詳細には、画像を構成する画素の対称性を上げることに関する。

レーザからのレーザビームをラスタパターン上で走査するために互いに直交する方向で揺動する一対の走査鏡に基づいて、画素で構成される２次元画像をスクリーン上に投影することが一般的に知られている。レーザビームは、水平走査方向に沿って延びる水平走査線に沿ってビームスポットを掃引するために、鏡の１つ、例えば、水平走査鏡上にビームスポットとして入射する。水平走査線は、垂直方向に沿って走査線を掃引するために、他の鏡、すなわち垂直走査鏡に入射し、これによってラスタパターンを生成する。ビームスポットが各走査線に沿って掃引されるときに、レーザを励起することでビームスポットを回転させると、各走査線の選択された画素が照射され、可視化される一方、レーザを停止することでビームスポットをオフにすると、残りの画素が照射されなくなる。照射される画素および照射されない画素は投影される画像を構成する。

公知の画像投影装置は、意図される目的に対して全体的には満足できるものであるが、典型的には６４０×４８０画素のビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）の品質の４分の１未満という限られた解像度で画像の投影を行い、さらに、画素が非対称であることによって、画像の品質が劣化する。照射される個々の画素の大きさは、他の要素の中でも、（オンになっている場合の）水平走査鏡に入射するビームスポットの最初の大きさと、水平走査鏡がビームスポットを掃引する際のビームスポットの動きとに依存する。言い替えれば、照射される投影画素の大きさは、水平走査方向に沿って見ると、入射ビームスポットの最初の大きさよりも大きくなる。例えば、水平走査鏡上の入射ビームスポットの断面が円形であれば、対応して投影される画素の断面は水平走査方向に沿って並ぶ長軸を有する楕円形状である。このように、投影される画素は水平方向に沿って「引き伸ばされる」が、垂直方向にはそれほど引き伸ばされないため、非対称の画素で構成される不十分な表示の画像になる。

したがって、本発明の全般的な目的は、画素の対称性が改善されるシャープで明瞭な２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。

本発明の他の目的は、こういった装置によって投影されるカラー画像の解像度を上げることである。

本発明のさらに他の目的は、投影される画像の非対称な画素を除去しないまでも、これを減じることである。

追加の目的は、種々の形態要素をもつ多数の機器に有用な微小で小型の、軽量で携帯可能なカラー画像投影装置を提供することである。

これらの目的、および以下で明らかになる他の目的を踏まえると、本発明の１つの特性は、簡単にいえば、２次元カラー画像を投影するための画像投影装置にある。この装置は、少なくとも１つのレーザを含み、好ましくは、断面においてビームスポットを有する複合ビームとして赤色、青色および緑色レーザビームをそれぞれ発するための複数の赤色、青色および緑色レーザを含む光学アセンブリと、空間において走査線のパターンでビームスポットを掃引し、各走査線が多数の画素をもつスキャナと、選択される画素を照射させて、複合ビームによってカラー画像を作り出して可視化するための制御装置とを含む。

好ましい実施形態において、スキャナは、異なる走査速度で、かつ異なる走査角で、全体として互いに直交する方向に沿って複合ビームを掃引するための一対の揺動可能な走査鏡を含む。ノイズを減らすために、走査速度の内の少なくとも１つの速度が可聴周波数、例えば１８ｋＨｚを超える。走査鏡の内の少なくとも１つの走査鏡は、電力消費量を最小にするために、機械的共振周波数で慣性駆動装置により駆動される。画像解像度は、好ましくは、ＶＧＡ品質の４分の１を超えるが、一般的には、ＶＧＡ品質に等しいか、あるいはこれを超える。

本装置は、ペン型、銃型または懐中電灯型機器、パーソナルデジタルアシスタンツ、ペンダント、腕時計、コンピュータなど、要するに小型で微小なサイズのいかなる形状のものも含むがこれらに限定されない種々の形態要素をもつハウジングに対して交換可能に設けることができる。投影される画像は、広告あるいは署名のため、あるいはテレビまたはコンピュータモニタ画面など、要するに何らかのものを表示することを所望する場合に用いることができる。

本発明によれば、光学アセンブリは、互いに直交する長い方のスポット寸法と狭い方のスポット寸法とを有する楕円形状をもつ走査鏡の１つ、例えば、水平走査鏡に入射するビームスポットを形成し、水平走査鏡によって掃引される水平方向に沿った各走査線に沿って、狭いスポット寸法が延びるように、この楕円形ビームスポットを向けるように動作する。このため、水平走査鏡が楕円形ビームスポットを各走査線に沿って掃引すると、水平方向に沿って対応する画素の水平寸法の大きさが増加する。理想的には、画素の水平寸法が画素の垂直寸法と同じ大きさまで増加し、これにより画素寸法をさらに対称にさせ、ほぼ正方形あるいは円形形状を有するようにする。実際は、水平画素寸法は垂直画素寸法よりも大きい場合も小さい場合もあり得るが、いかなる場合においても、本発明による画素の対称性は向上され、すなわち、水平画素寸法に対する垂直画素寸法の比率は以前よりも１に近くなる。

楕円形ビームスポットの配向は種々の方法で達成できる。例えば、端面発光型半導体赤色および青色レーザの場合のように、レーザが楕円形ビームスポットを発するのであれば、狭い方のスポット寸法が水平走査方向に沿って並ぶまでレーザ自体が回転される。赤色および青色ビームの光路内にある光学レンズは、レーザの回転後にビームの向きを乱さないように、回転可能に対称である。

固体緑色レーザの場合のようにレーザが円形ビームスポットを発するのであれば、光学素子は、円形ビームスポットを楕円形ビームスポットに変換するために緑色ビームの光路内に置かれる。光学素子は互いに直交する走査方向に沿って異なる光学出力をもつ。光学素子は、アナモルフィックレンズ、回転可能に対称な平凸レンズと合わせた円筒レンズ、円環レンズ、光軸が互いに直交する２つの円筒レンズ、あるいはプリズムであり得る。

さらに本発明によれば、楕円形ビームスポットの長い方のスポット寸法は横軸、すなわち、走査線が連続して配置される垂直走査方向に沿って延びる。長い方のスポット寸法は横軸走査方向に沿って対応する長い方の画素寸法を作り出す。この長い方の画素寸法は少なくとも部分的に、横軸走査方向に沿って隣接する走査線と重なるため、隣接する走査線が混ざり合って審美的で快適な画像を作り出す。

図１の番号１０は、全般的にハンドヘルド機器、例えばパーソナルデジタルアシスタンツを示し、ここで、図２に示されるように、軽量で小型の画像投影装置２０が設けられており、同機器から可変距離で２次元カラー画像を投影するように動作する。例として、画像１８は、機器１０に対する動作距離範囲内にある。

図１に示されるように、画像１８は、画像の、水平方向に沿って延びる光学水平走査角Ａに延び、さらに垂直方向に沿って延びる光学垂直走査角Ｂ上で延在する。以下で記載するとおり、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照射される画素および照射されない画素で構成される。

機器１０の平行六面体形状は、装置２０が実装されるとよいハウジングの単に１つの形状因子を示すにすぎない。機器は、ペン、携帯電話、クラムシェル、あるいは腕時計といった形状が可能である。

好ましい実施形態において、装置２０は約３０立方センチメートル未満の体積である。この小型の微小サイズにより、装置２０は、オンボードディスプレイ１２、キーパッド１４、画像が投影される窓１６を有するものを含む、小型あるいは大型、携帯型あるいは設置型の多数の多様な形状のハウジングに設けることができるようになる。

図２および３を参照すると、装置２０は端面発光型半導体赤色レーザ２２を含み、これは、励起されると、断面が楕円形のビームスポットを有する約６３５〜６５５ナノメートルの明るい赤色レーザビームを発する。レンズ２４は、正の焦点距離をもつ二重球面凸レンズであり、赤色ビームにおいて、事実上、全エネルギーを集め、回折制限されるビームを生成するように動作する。レンズ２６は、負の焦点距離をもつ凹レンズである。レンズ２４、２６は、機器１０内の（明確化のために図２では示されていない）支持体上で、図示されていない離れた各レンズホルダによって保持される。レンズ２４、２６は、動作距離にわたって赤色ビームプロファイルを形成する。以下で説明されるように、レンズ２４、２６は回転可能に対称である。

別の端面発光型半導体青色レーザ２８が支持体上に設けられ、励起されると、断面が楕円形のビームスポットを有する約４７５〜５０５ナノメートルで回折制限される青色レーザビームを発する。別の二重球面凸レンズ３０および凹レンズ３２を用いて、レンズ２４、２６と類似の方式で青色ビームプロファイルを形成する。以下に説明されるように、レンズ３０、３２もまた回転可能に対称である。

５３０ナノメートルのオーダーの波長をもつ緑色レーザビームは、半導体レーザによって生成されないが、その代わりに、出力ビームが１０６０ナノメートルの赤外線ダイオード励起ＹＡＧ結晶レーザを有する緑色モジュール３４により生成される。非線形周波数二倍化結晶が、２つのレーザ鏡間にある赤外レーザキャビティ内に含まれる。キャビティ内の赤外レーザ出力は、キャビティ外に結合される出力よりもはるかに大きいため、キャビティ内で二倍周波数の緑色光を周波数二倍器が生成する効率はさらに高い。レーザの出力鏡は１０６０ナノメートルの赤外放射を反射し、倍化される５３０ナノメートルの緑色レーザビームを透過させる。固体レーザおよび周波数二倍器の正しい動作には精密な温度制御が必要であるため、ペルチェ効果に依存する半導体装置を用いて緑色レーザモジュールの温度を制御する。熱電冷却機は、印加される電流の極性によって装置を加熱するか、あるいは冷却するかのいずれかが可能である。サーミスタは、その温度を監視するための緑色レーザモジュールの一部である。サーミスタからの読出し値は制御装置に送られ、この制御装置は、それに応じて熱電冷却機への制御電流を調節する。

以下で説明するとおり、レーザは、動作中に１００メガヘルツのオーダーの周波数のパルスになっている。赤色および青色半導体レーザ２２、２８はこのような高周波でパルスにすることができるが、現在利用可能な緑色固体レーザはパルスにすることができない。その結果、緑色モジュール３４を出る緑色レーザビームは音響光学変調器３６でパルス化され、この変調器は、緑色ビームを回折するための結晶内に音響定在波を生成する。その一方で、変調器３６はゼロ次非回折ビーム３８とパルス化された一次回折ビーム４０とを生成する。ビーム４０は断面がほぼ円形のビームスポットである。ビーム３８、４０は互いに分岐し、望ましくないゼロ次ビーム３８をなくすようにこれらのビームを分離するために、ビーム３８、４０は、折曲げ鏡４２を有する折れ曲がった長光路に沿って送られる。あるいは、電子光学変調器は、緑色レーザビームをパルス化するために緑色レーザモジュールの外部あるいは内部のいずれかで用いることもできる。緑色レーザビームを変調するための他の可能な方法としては、電子吸収変調、すなわちマッハツェンダー干渉計がある。

ビーム３８、４０は正レンズおよび負レンズ４４、４６を通って送られる。しかしながら、回折される緑色ビーム４０だけが折曲げ鏡４８に入射し、そこから反射することが可能である。非回折ビーム３８は、好ましくは、鏡４８上に設けられる吸収体５０によって吸収される。レンズ４４、４６は、以下で説明するように、鏡４２上に入射するビームスポットの最初の円形状を楕円形状に変える。鏡４８で反射した後に、回折される緑色ビーム４０は、断面が楕円形ビームスポットになる。

この装置は、走査アセンブリ６０に達する前に、緑色、青色および赤色ビームができるだけ同一直線状になるように配置される一対のダイクロイックフィルタ５２、５４を含む。フィルタ５２によって緑色ビーム４０が通過できるようになるが、青色レーザ２８からの青色ビーム５６は干渉効果によって反射される。フィルタ５４によって緑色および青色ビーム４０、５６が通過できるようになるが、赤色レーザ２２からの赤色ビーム５８は干渉効果によって反射される。

ほぼ同一直線状のビーム４０、５６、５８は、設置型バウンス鏡６２に向けられ、そこから反射される。走査アセンブリ６０は、第１水平走査角Ａでバウンス鏡６２によって反射されるレーザビームを掃引するための第１走査速度で（図４〜５で別個に示されている）慣性駆動装置６６により揺動可能な第１走査鏡６８と、第２垂直走査角Ｂで第１走査鏡６４によって反射されるレーザビームを掃引するための第２走査速度で電磁駆動装置７０により揺動可能な第２走査鏡６３とを含む。変型構成において、走査鏡６４、６８を単一の二軸鏡と置き換えることもできる。

慣性駆動装置６６は高速で低電力消費の構成要素である。慣性駆動装置の詳細は、本出願と同一の譲受人に譲渡された、２００３年３月１３日に出願された米国特許出願第１０／３８７，８７８号に見出され得、該出願は参考として本明細書に援用される。慣性駆動装置を使用することで、走査アセンブリ６０の消費電力を１ワット未満まで減らし、以下で記述するとおり、カラー画像を投影する場合には１０ワット未満まで減らす。

駆動装置６６は、ヒンジ軸に沿って延び、走査鏡６４の両側領域と可動フレームの両側領域との間に接続される一対の同一直線状のヒンジ部分７６、７８を含むヒンジによって走査鏡６４を支持するための可動フレーム７４を含む。フレーム７４は、図示されるとおり、走査鏡６４を囲む必要はない。

フレーム、ヒンジ部分および走査鏡は、厚さがおよそ１５０μの、一片でできた、ほぼ平坦なシリコン基板から製造される。シリコンは、上部並列スロット部と、下部並列スロット部と、Ｕ字形中央スロット部とを有するΩ形スロットを形成するようにエッチングされる。走査鏡６４は、好ましくは、楕円形状であり、スロット部で自由に動く。好ましい実施形態において、楕円形状走査鏡の軸に沿った寸法は７４９μ×１６００μになる。各ヒンジ部分は幅が２７μで、長さが１１３０μになる。フレームは、幅が３１００μで、長さが４６００μの四角形状である。

慣性駆動装置はほぼ平坦なプリント回路基板８０上に設けられ、フレームを直接動かし、慣性によってヒンジ軸周りで走査鏡６４を間接的に揺動するように動作する。慣性駆動装置の一実施形態は、基板８０の垂直方向に延び、ヒンジ部分７６のいずれかの面でフレーム７４の間隔をあけられた部分に接する一対の圧電振動子８２、８４を含む。各振動子の１つの端部と各フレーム部分との間で恒久的な接触を確実にするために、接着材が用いられ得る。各振動子の反対の端部は基板８０の背面から突出し、（図示されていない）周期交流電圧源に対して電線８６、８８によって電気接続される。

使用時、周期信号が各振動子に対して周期駆動電圧を印加し、各振動子を長さ方向で交互に伸縮させる。振動子８２が伸長し、振動子８４が収縮する場合、さらにその逆の場合、これによって間隔をあけられたフレーム部分を同時に押し引きし、フレームをヒンジ軸の周りでねじる。駆動電圧は走査鏡の機械共振周波数に対応する周波数をもつ。走査鏡は、共振周波数でヒンジ軸周りにおいて同様に揺動するまで、その最初の休止位置から移動される。好ましい実施形態において、フレームおよび走査鏡は厚さが約１５０μであり、走査鏡は高Ｑ値をもつ。各振動子による１μのオーダーの移動により、２０ｋＨｚを超える走査速度で走査鏡の揺動を起こすことができる。

別の対の圧電振動子９０、９２は基板８０に対して垂直方向に、ヒンジ部分７８のいずれかの面でフレーム７４の間隔をあけられた部分と恒久的に接するように延びる。振動子９０、９２は、フレームの揺動移動を監視し、（図示されていない）フィードバック制御回路への電線９４、９６に沿って電気フィードバック信号を生成して導電するためのフィードバック装置として働く。

あるいは、フィードバック用に圧電要素を用いる代わりに、磁気フィードバックを用いることができるが、ここで、磁石が高速鏡の背面に設けられ、外部コイルを用いて、揺動磁石により生成される変動磁場をピックアップする。

光は走査鏡の外面で反射され得るが、金、銀、アルミニウム、あるいは特別に設計される高反射性の誘電体被覆からなる鏡面状被覆で鏡６４の表面を被覆することが望ましい。

電磁駆動装置７０は、第２走査鏡６８上およびその後ろに接合して設けられる永久磁石と、周期駆動信号の受信に応答して周期磁場を生成するように動作する電磁コイル７２とを含む。周期磁場が磁石の永久磁場と磁気的に相互作用し、次に磁石が第２走査鏡６８を揺動させるように、コイル７２が磁石近くに置かれる。

慣性駆動装置６６は、好ましくは５ｋＨｚよりも大きな走査速度で、さらに詳細には、１８ｋＨｚ以上のオーダーの高速度で走査鏡６４を揺動する。この高走査速度は聞き取れない周波数であるため、ノイズと振動とを最小にする。電磁駆動装置７０は、過剰な明滅なしに人の目の網膜上で画像が知覚可能であるために十分な速さである４０Ｈｚのオーダーの遅めの走査速度で走査鏡６８を揺動する。

速い方の鏡６４が水平走査線を掃引し、遅い方の鏡６８が水平走査線を垂直に掃引し、これによって、画像が構成される、ほぼ並列の走査線の格子または配列のラスタパターンが生成される。各走査線は多数の画素を有する。画像解像度は、好ましくは、１０２４×７６８画素のＸＧＡの品質である。制限される動作範囲では、７２０ｐで示される高精細度テレビ標準の１２７０×７２０画素を表示できる。一部の適用例では、ＶＧＡの品質の半分である３２０×４８０画素、またはＶＧＡの品質の４分の１である３２０×２４０画素で十分である。最低でも１６０×１６０画素の解像度が望ましい。

鏡６８が早く、鏡６４が遅くなるように、鏡６４、６８の役割を逆転させることも可能である。鏡６４も同様に垂直走査線を掃引するように設計できるが、この場合、鏡６８は水平走査線を掃引する。さらに、鏡６８を駆動するために慣性駆動装置を用いることもできる。実際には、いずれの鏡も、電気機械、電気、機械、静電、磁気、あるいは電磁気駆動装置によって駆動できる。

遅い方の鏡は、画像が表示される時間中に、一定の速度掃引パターンで動作される。鏡が戻る間に、鏡は、その際立って高い固有振動数で最初の位置に戻るように掃引される。鏡が戻る工程で、装置の消費電力を減らすためにレーザの電力を下げることもできる。

図６は、図２と同じ斜視図で示す装置２０を実際の実装である。前述の構成要素は、最上部カバー１００と支持板１０２とを含む支持体に設けられる。ホルダ１０４、１０６、１０８、１１０、１１２はそれぞれ、折曲げ鏡４２、４８と、フィルタ５２、５４と、バウンス鏡６２とを互いに位置合わせして保持する。各ホルダは、支持体に対して固定的に設けられる位置決めポストを受け入れるための複数の位置決めスロットを有する。これにより、鏡およびフィルタは正しく位置決めされる。図示されるとおり、３つのポストがあり、これによって２つの角度調節と１つの横方向調節とが可能になる。各ホルダはその最終位置で接着剤により接着することもできる。

画像は１本以上の走査線の画素の選択照射によって構成される。以下で図７を参照しながらさらに詳細に説明するとおり、制御装置１１４によって、ラスタパターンの選択画素が照射され、３本のレーザビームにより可視化される。例えば、赤色、青色および緑色の電力制御装置１１６、１１８、１２０はそれぞれ、選択される各画素で各光ビームを発するためにレーザを励起するように、赤色、青色および緑色レーザ２２、２８、３４に対して電流を流すが、選択されない他の画素を照射しないためにレーザを停止するように、赤色、青色および緑色レーザには電流を流さない。照射される画素と照射されない画素によって得られるパターンが画像を構成し、この画像は人あるいは機械で読み取り可能な情報もしくは図面の何らかの表示が可能である。

図１を参照すると、ラスタパターンが拡大図で示される。エンドポイントで起動すると、レーザビームは、走査線を形成する反対側のエンドポイントまで水平走査速度で水平方向に沿って慣性駆動装置によって掃引される。そこで、レーザビームは、第２走査線を形成するために、他のエンドポイントまで垂直走査速度で垂直方向に沿って電磁駆動装置７０によって掃引される。連続する走査線の形成は同じ方法で進められる。

画像は、電力制御装置１１６、１１８、１２０の動作により、マイクロプロセッサ１１４または制御回路の制御下で、選択時間においてレーザの励起またはパルス化をオン・オフすることによってラスタパターンで生成される。レーザが可視光を生成し、所望の画像内の画素を見ることが所望されれば、レーザがオンにされる。各画素のカラーはビームの１つ以上のカラーによって決まる。可視光スペクトル中のいかなるカラーも、赤色、青色および緑色レーザの内の１つ以上のレーザを選択的に重ねることで構成できる。ラスタパターンは、各ライン上、および複数のライン上の複数画素でできた格子である。画像は選択される画素のビットマップである。各文字または数字、任意の図面設計またはロゴ、および機械読み取り可能なバーコード記号であっても、ビットマップ画像として形成できる。

図７で示されるとおり、垂直および水平同期データをもつ入射映像信号は、画素およびクロックデータと同様に、マイクロプロセッサ１１４の制御下で赤色、青色および緑色バッファ１２２、１２４、１２６に送られる。１つの全ＶＧＡフレームの記憶装置は多くのキロバイトを必要とし、１つのフレームを書き込むことができるようにするために、２つの全フレームに対するバッファに十分なメモリをもつ一方、他のフレームが処理されて投影される。バッファされたデータは速度プロファイラ１３０の制御下でフォーマッタ１２８に送られ、走査によって引き起こされる固有の内部歪みとともに、投射される画像の表示角度によって引き起こされる幾何学的歪みを修正するために、赤色、青色および緑色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３２、１３４、１３６に送られる。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によって赤色、青色および緑色アナログ信号に変換される。赤色および青色アナログ信号は、赤色および青色電力制御装置１１６、１１８にも接続される赤色および青色レーザドライバ（ＬＤ）１４４、１４６に供給される。緑色アナログ信号は音響光学モジュール（ＡＯＭ）高周波（ＲＦ）ドライバ１５０に供給され、次に、緑色ＬＤ１４８と緑色電力制御装置１２０とにも接続される緑色レーザ３４に供給される。

図７で、赤色、青色および緑色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５８、１６０、１６２に接続され、次にマイクロプロセッサ１１４に接続される赤色、青色および緑色光ダイオード増幅器１５２、１５４、１５６を含む、フィードバック制御も示される。熱量は、Ａ／Ｄ変換器１６６に接続されて、次にマイクロプロセッサに接続されるサーミスタ増幅器１６４によって監視される。

走査鏡６４、６８は、次にマイクロプロセッサに接続されるＤＡＣ１７２、１７４からのアナログ駆動信号が供給されるドライバ１６８、１７０により駆動される。フィードバック増幅器１７６、１７８は走査鏡６４、６８の位置を検出し、フィードバックＡ／Ｄ１８０、１８２に接続され、次にマイクロプロセッサに接続される。

電力管理回路１８４は電力を最小化するように動作する一方、好ましくは、すべての時間で緑色レーザを保持し、発振しきい値のすぐ下の値で赤色および青色レーザの電流を保持することにより高速オンタイムを可能にする。

レーザ安全遮断回路１８６は、走査鏡６４、６８のいずれかで位置外れが検出されれば、レーザを停止するように動作する。

前述のとおり、赤色レーザ２２から出る赤色ビームは楕円形ビームスポット（図８参照）をもち、回転可能に対称なレンズ２４、２６はビームスポットの楕円形状を変えない。楕円形ビームスポットは、互いに直交する長い方（垂直）のスポット寸法と狭い方（水平）のスポット寸法とを有し、本発明によれば、狭い方のスポット寸法あるいは幅が水平走査方向、すなわち、各走査線に沿った長手方向に沿って延びるようになるまで、赤色レーザ２２は支持体１００、１０２上で回転される。水平走査鏡６４（図８参照）が各走査線に沿って掃引されると、対応する画素の長い方の垂直寸法に対してさらにぴったりと合うようになるまで、垂直画素としても知られる、対応する画素の対応する狭い方の水平寸法の大きさが増やされる。画素の水平および垂直寸法が同じである場合、画素は全体的に正方形の、対称の形状をもつ。前述のとおり、投影される画像で対称の画素を用いることで、さらに快適な表示が生成される。

同じことが青色レーザ２８から出る青色ビームについても言える。青色ビームは同様に、回転可能に対称なレンズ３０、３２に影響されない楕円形ビームスポットをもつ。狭い方のスポット寸法が水平走査方向に沿って延びるようになるまで、青色レーザ２８は支持体に対して回転され、対応する水平画素寸法は、長い方の垂直画素寸法とさらにぴったりと一致するようになるまで大きくされる。

しかしながら、鏡４２から反射される回折緑色ビーム４０については、ビームスポットは断面が円形である。この場合、レンズ４４、４６はビームスポットの形状を楕円形に変えるために用いられる。例えば、レンズ４４は円筒レンズが可能であり、レンズ４６は回転可能に対称な平凸レンズが可能である。円筒レンズおよび平凸レンズは単一の円環レンズに組み合わせることもできる。もう１つの例として、２つの互いに直交する円筒レンズを用いることもできる。あるいは、楕円形スポットを生成するためにプリズムを用いることもできる。それぞれの場合において、アナモルフィック光学機器は、ビームスポットの形状を変えるために、２つの直交する方向で異なる光学電力をもつ。

画素の、対応する長い方の垂直寸法については、これにより、垂直走査方向に沿って配置される隣接走査線の混合を助ける。このため、１つの走査線上の画素の、長い方の垂直寸法は、隣接走査線上の隣接画素の、長い方の垂直寸法と部分的に重なる。隣接走査線は、これにより、相互に混合され、さらに均一な表示が得られる。

さらに他の適用例として、目標画像を撮像するためのカメラとして機能させるために画像投影装置を用いるというものがある。この場合、引き伸ばされたビームスポットを用いることで、目標画像から検出される信号におけるスペックルノイズを減らすことを助ける。

新規であり、特許証によって保護されることを求める特許請求の範囲については、添付の請求項にて示される。

図１は、画像からの動作距離で画像を投影するハンドヘルド機器の斜視図である。 図２は、図１の機器に設置するための本発明による画像投影装置の拡大上部斜視図である。 図３は、図２の装置の上部平面図である。 図４は、図２の装置で用いるための慣性駆動装置の斜視正面図である。 図５は、図４の慣性駆動装置の斜視背面図である。 図６は、図２の装置を実際に実施する場合の斜視図である。 図７は、図２の装置の動作を示す電気概略ブロック図である。 図７は、図２の装置の動作を示す電気概略ブロック図である。 図８は、対称な画素を得るために走査方向に沿って掃引される楕円形ビームスポットの線図である。

Claims (20)

1. 画像を投影する画像投影装置であって、
   ａ） 断面にビームスポットのあるレーザビームを生成するための光学アセンブリであって、該ビームスポットが、互いに直交する長い方の寸法と狭い方の寸法とをもつ楕円形状である光学アセンブリと、
   ｂ） 互いに直交する走査方向に沿って該ビームスポットを掃引し、該走査方向の内の一つの方向に沿って配置される多数の画素をおのおのがもち、該長い方の寸法と狭い方の寸法とに対応する互いに直交する画素寸法を各画素が有するスキャナと、
   ｃ） 該一走査方向に沿って該狭い方のスポット寸法を向けるように動作する光学アセンブリであって、該画素寸法をさらに対称にするために該スキャナによって掃引が行われるように、該一走査方向に沿った該狭い方のスポット寸法よりも該一走査方向に沿った該画素寸法が大きい、光学アセンブリと、
   ｄ） 該スキャナと該光学アセンブリとに対して動作的に連結され、選択された画素を照射し、可視化して、さらに対称な画素をもつ該画像を生成する制御装置と
   を備える画像投影装置。
2. 前記光学アセンブリが前記レーザビームを発するためのレーザを含む、請求項１に記載の画像投影装置。
3. 前記光学アセンブリは、赤色、青色および緑色レーザビームをそれぞれ発するための赤色、青色および緑色レーザを含み、前記レーザビームを複合レーザビームとして形成し、前記画像をカラーで生成する、請求項１に記載の画像投影装置。
4. 前記赤色および青色レーザのおのおのは、それぞれ楕円形状の赤色および青色ビームを発し、前記光学アセンブリが前記レーザを回転させて、前記狭い方のスポット寸法を前記一方向に沿って配向するように動作し、前記赤色および青色ビームのおのおのに対して回転可能で対称なレンズを含む、請求項３に記載の画像投影装置。
5. 前記赤色および青色レーザのおのおのは、端面発光型半導体レーザである、請求項４に記載の画像投影装置。
6. 前記緑色レーザは、円形形状のその緑色ビームを発し、前記光学アセンブリは、互いに直交する前記方向に沿って、異なる光学出力を有する光学素子を含み、前記楕円形状を生成する、請求項３に記載の画像投影装置。
7. 前記緑色レーザは、光学周波数二倍器をもつダイオード励起固体レーザを含み、前記緑色ビームを生成する、請求項６に記載の画像投影装置。
8. 前記光学素子は、アナモルフィックレンズを含む、請求項６に記載の画像投影装置。
9. 前記光学素子は、円筒レンズと、回転可能に対称な平凸レンズとを含む、請求項６に記載の画像投影装置。
10. 前記光学アセンブリは、前記緑色ビームを変調する音響光学変調器を含み、非回折ビームと回折ビームとを生成し、前記光学素子は、該回折ビームを光学的に修正する、請求項６に記載の画像投影装置。
11. 前記ビームスポットの前記長い方のスポット寸法が、前記一走査方向に垂直な横走査方向に沿って延び、前記走査線が該横走査方向に沿って配置され、該横走査方向に沿った該走査線の内の１つの線上の前記画素の対応する前記寸法が、該横方向に沿った隣接する走査線と少なくとも部分的に重なる、請求項１に記載の画像投影装置。
12. 前記スキャナが、第１走査速度で前記一走査方向に沿って、第１走査角に対して前記レーザビームを掃引する第１揺動可能走査鏡と、前記一走査方向に対して実質的に垂直な横走査方向に沿って、該第１走査速度と異なる第２走査速度で、該第１走査角と異なる第２走査角に対して前記レーザビームを掃引する第２揺動可能走査鏡とを含む、請求項１に記載の画像投影装置。
13. 前記走査鏡の内の少なくとも１つの鏡が、その機械的共振周波数で揺動し、消費電力を最小化する、請求項１２に記載の画像投影装置。
14. 前記制御装置が、前記レーザを励起し、前記選択された画素を照射するため、および該レーザを停止し、該選択された画素以外の画素を照射しないようにするための手段を含む、請求項２に記載の画像投影装置。
15. 画像を投影する方法であって、
    ａ） 断面において、ビームスポットを有するレーザビームを生成するステップであって、該ビームスポットは、互いに直交する長い方のスポット寸法と狭い方のスポット寸法とをもつ楕円形状を有する、ステップと、
    ｂ） 互いに直交する走査方向に沿って該ビームスポットを掃引し、該走査方向の内の一つの方向に沿って配置される多数の画素をおのおのが有するステップであって、該長い方のスポット寸法と狭い方のスポット寸法とに対応する互いに直交する画素寸法を各画素が有する、ステップと、
    ｃ） 該一走査方向に沿って該狭い方のスポット寸法を配向するステップであって、該一操作方向に沿った該画素寸法は、該画素寸法がさらに対称にするために該掃引によって、該一走査方向に沿った該狭い方のスポット寸法よりも大きい、ステップと、
    ｄ） 選択された画素を照射し、可視化して、さらに対称な画素をもつ該画像を生成するステップと
    を含む、方法。
16. 前記寸法を配向するステップは、前記レーザビームを発するレーザを回転させるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記生成するステップは、円形状の前記レーザビームを発し、前記楕円形状を生成するために互いに直交する方向において異なる光学出力をもつ該レーザビームを光学的に修正することで行われる、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ビームスポットの前記長い方のスポット寸法が、前記一走査方向に対して垂直な横走査方向に沿って延び、前記走査線が該横走査方向に沿って配置され、該横走査方向に沿った該走査線の内の１つの線上の前記画素の対応する前記寸法が、該横走査方向に沿った隣接する走査線と少なくとも部分的に重なる、請求項１５に記載の方法。
19. 前記掃引するステップは、走査鏡の機械的共振周波数で少なくとも１つの走査鏡を揺動し、消費電力を最小化することによって行われる、請求項１５に記載の方法。
20. 前記レーザビームを発するレーザを励起して、前記選択された画素を照射するステップと、該レーザを停止して、該選択された画素以外の画素を照射しないステップとを包含する、請求項１５に記載の方法。

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