JP2008546001A - 特に画像投影装置に対し画質を改善する装置と方法 - 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（図２、２０）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品質の画像（図１、１８）をカラーで生成させるように動作する。照射される画素の輝度は、同一波長の成分レーザビームを組み合わせる（図８、２１４）ことで強められる。照射される画素のコントラストは、偏光スクリーンで複合ビームを掃引し、同複合ビームの全ての成分レーザビームの偏光を同じにすることで改善される。

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、作動が静かで、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、画像の質を改善することに関する。

レーザからのレーザビームをラスタパターンに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、鉛直方向に沿って走査線を掃引するために、他の鏡、すなわち鉛直走査鏡に入射し、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オンにすると、各走査線の選択画素が照射され、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）の質の４分の１未満という限られた解像度で投影を行い、さらに、画像の質が若干劣化し、特に、画像が個々の赤色、青色、緑色レーザから発せられる赤色、青色、緑色レーザビームからカラーにレンダリングされる場合に劣化する。照射される画素の各色の最大輝度は対応する色付きレーザの最大出力電圧の制限を受ける。照射される各画素のコントラストは周辺光レベルの影響を受ける。偏光スクリーンは場合によって、強力な周辺光の影響を減じるために用いられるが、異なる偏光のレーザビームをレーザが発するレーザベースの投影装置には、このオプションは利用できない。

したがって、本発明の全般的な目的は、改善された画像の質のシャープで明瞭な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輝度を上げることである。

本発明のさらに他の目的は、投影される画像の周辺光の影響をなくさない場合、これを減じることである。

追加の目的は、異なる形態の因子をもつ多数の機器で有用な、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維持するにあたって、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。本装置は、走査線のパターンを空間に投影するために互いに直交する走査方向に沿って主レーザビームを掃引し、各走査線が多数の画素をもつ、スキャナと、主ビームにより選択された画素が照射され、可視化され、カラー画像を生成するようにスキャナに対して作動的に連結される制御装置とを含む。

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主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の質の４分の１を超えるが、典型的には、ＶＧＡの質に等しいか、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、携帯情報端末、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フォームファクタの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、広告あるいは標識のため、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ものに対して用いることができる。

本発明によれば、照射される画素の輝度を上げるための光学アセンブリが設けられる。光学アセンブリは、各出力電力と互いに直交する偏光をもつ複数の成分レーザビームを生成するように動作し、偏光ビームコンバイナは、成分レーザビームを組み合わせて、成分レーザビームのそれぞれが出力電力よりも大きな出力電力の主レーザビームを形成するように動作する。成分レーザビームは対応する複数のレーザから発せられる。いずれか１つの成分レーザビームの偏光はレーザのハウジングを物理的に回転させることで変えることができる。あるいは、偏光を変える成分ビームの光路に半波長板を置くこともできる。

カラー画像の場合、前述の光学アセンブリは、各カラーレーザ、すなわち赤色、青色、緑色レーザに設けられる。照射される画素の内のいずれか１つのカラー成分の輝度は単一のカラーレーザの最大出力電力による制限を受けることがなくなるが、その代りに、そのカラーの追加レーザがいくつ用いられるかに応じたものになる。

さらに本発明によれば、表示画面に照射される画素のコントラストは、画像を侵食する傾向のある太陽光といった強力な周辺光の影響を減じることで強められる。偏光スクリーンは、典型的には、そのような周辺光の影響を減じるために用いられる。しかしながら、投影される画像が互いに直交する偏光のレーザビームによって掃引される場合には偏光スクリーンを用いることができない。

このため、偏光スクリーンの利点を得るために、本発明は、赤色、青色、緑色ビームの偏光がすべて確実に一致するために、ビームの内の少なくとも１つのビーム、例えば、緑色ビームの光路に置かれる、少なくとも１つの半波長板を用いることを提案する。

輝度が上がり、コントラストが強められると、画像の質が改善される。

本発明の特徴とみなされる新規な特性は、特に、添付の請求項で示される。しかしながら、本発明の構造およびその動作方法に関して、本発明そのものは、その追加目的および利点とともに添付図面と関連して読まれれば、特定の実施形態に関する以下の説明から最も良く理解されるであろう。

図１の符号１０は、全般的に手持型機器、例えば携帯情報端末を示し、ここで図２に示されるような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作動する。例として、画像１８は、機器１０に対し作動範囲内の距離にある。

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上で、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の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、車載ディスプレイ１２、キーパッド１４、画像が投影される窓１６を有するあるものを含む、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、赤色ビームの、事実上全エネルギーを集め、回折制限された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、作動距離にわたって赤色ビームプロファイルを形成する。レンズ２４，２６は、好ましくは、回転対称性である。

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た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。レンズ３０，３２もまた、好ましくは、回転対称性である。

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、半導体レーザではなく、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、キャビティ外で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ナノメートル赤外放射は反射し、二倍化される５３０ナノメートルの緑色レーザビームは透過させる。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与えられ、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１００ＭＨｚ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の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は断面が略円形のビームスポットである。ビーム３８，４０は相互に分岐し、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、電子光学変調器が、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られることができる。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は正および負のレンズ４４，４６を通って送られる。しかしながら、回折された緑色ビーム４０だけが折り曲げ鏡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、好ましくは、鏡４２上に入射するビームスポットの当初の円形形状を楕円形状に変える。鏡４８で反射した後に、回折された緑色ビーム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、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６４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６８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、本出願と同一の譲渡者に譲渡され、２００３年３月１３日に出願された米国特許出願第１０／３８７，８７８号で見ることができ、これはその引用によって本明細書に組み込まれている。慣性駆動装置を使用することで、走査アセンブリ６０の電力消費を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在しつつ走査鏡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で加工される。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の垂直方向に延在しつつ、ヒンジ部分７６のいずれかの側でフレーム７４の離間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、接着材が用いられる場合もある。各振動子の逆の端部は基板８０の背面から突出し、周期交流電圧源（図示されていない）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、これによって離間フレーム部分を同時に押し引きし、フレームをヒンジ軸周りでねじる。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、その初期の休止位置から動かされる。好ましい実施形態において、フレームと走査鏡は厚さが約１５０μであり、走査鏡は高Ｑ値をもつ。各振動子による１μのオーダーの動きにより、２０ｋＨｚを超える走査速度で走査鏡を揺動させることができる。

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のいずれかの側でフレーム７４の離間部分と恒久的に接するように延在する。振動子９０，９２は、フレームの揺動移動を監視して、フィードバック制御回路（図示されていない）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、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、ここで、磁石が高速鏡の背面に設けられ、外コイルを用いて、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できるが、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でできた鏡面状被覆で鏡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じて周期磁場を生成するように作動する電磁コイル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、磁石を、次に第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に画像がとどまることができるのに十分な速さの４０Ｈｚのオーダーという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、ほぼ平行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の質である。限定された作動範囲では、７２０ｐ、１２７０×７２０画素で示される高精細度テレビ標準を表示できる。一部の適用例では、ＶＧＡの質の半分である３２０×４８０画素、またはＶＧＡの質の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が速く、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、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ができる。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は、一定速度の掃引様式で動作される。鏡が戻る間には、鏡は、その際立って高い固有振動数で当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ができる。

図６は、図２と同じ斜視図で示す装置２０の実際の実装である。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、折り曲げ鏡４２，４８と、フィルタ５２，５４と、バウンス鏡６２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ができる。

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により、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って可視化される。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対しては電流を流さない。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であり得る。

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る格子である。画像は選択された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、他のフレームが処理されて投影される間に、１つのフレームが書き込まれることができるようにするために、２つの全フレームに対してバッファに十分なメモリをもつことが望ましい。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の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。得られた赤色、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では、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、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、すべての時間に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で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、照射される各画素は、赤色、青色および緑色レーザビームのうちの１つ以上のビームによって照射される。照射される各画素の輝度は、赤色、青色および緑色レーザのうちの１つ以上のレーザの出力電力の関数であり、そのため、照射される各画素の任意の個々のカラー構成要素の最大輝度は、対応するカラーレーザの最大出力電力により制限される。例えば、照射される画素の赤色構成要素の最大輝度は赤色レーザ２２の最大出力電力により制限される。

輝度の高いカラー構成要素を得て、これにより輝度の高い画像を得るために、本発明の１つの特性は、各カラーの１つ以上のカラーに対して追加レーザを用いるものである。代表的な赤色レーザ２２について図８で示されるように、別の赤色レーザ２００が支持体上に設けられる。各赤色レーザ２２，２００は直線偏光される赤色成分ビーム２０２，２０４を発する。各レーザの直線偏光は各レーザのハウジングに対して固定される。すなわち、レーザハウジングを９０°だけ調節すると、偏光が垂直から水平に、さらにその逆にも偏光される。

図８において両方向矢印２０６で示されるとおり、赤色レーザ２２の成分ビーム２０２の偏光は平行、すなわち、赤色レーザ２２の楕円形ビームスポット２０８の長い方のビームスポット寸法に沿って鉛直に伸びる。図８において円２１０によって示されるとおり、赤色レーザ２００の成分ビーム２０４の偏光は垂直、すなわち、矢印２０６によって示される平行偏光に対して水平方向で垂直である。水平方向に沿った楕円形ビームスポットの断面は符号２１２によって示される。

偏光ビームコンバイナ２１４は両方の直交偏光された成分ビーム２０２，２０４の光路内にある。コンバイナ２１４は、鉛直偏光されたコンバイナに対して平行の平行偏光２０６のビーム２０２を内部で通過させ、鉛直偏光されたコンバイナに対して垂直の垂直偏光のビーム２０４を反射する。両成分ビーム２０２，２０４は、主ビーム５８を形成するようにコンバイナ２１４によって結合され、実際には、主ビーム５８の出力電力はレーザ２２またはレーザ２００のいずれかの出力電力よりも大きく、事実上、光学損失を除いて二倍ある。光学レンズ２４，２６（図２参照）を実質的に構成するビーム構成光学素子２１８は主ビーム５８を光学的に修正し、形成する。主ビーム５８は、上述のとおりスキャナに送られ、次に、画像１８が投影される表示スクリーン２１６に送られる。

コンバイナ２１４に入射する互いに直交する偏光成分ビーム２０２，２０４を得るために、赤色レーザ２２，２００のうちの一方、あるいはもう一方のレーザが、好ましくは、支持体に対して９０°だけ物理的に回転される。図８の装置は、主青色ビーム５６および主緑色ビーム４０の出力電力を増強させるのにも適用可能である。本質的に、各カラーについて、同一カラーの追加レーザがアセンブリに追加され、その出力ビームが元々のカラーレーザの出力ビームと結合される。

図９は、図８の実施形態よりも好ましい実施形態を示す。前記と同様に、赤色レーザ２２，２００の成分ビームは、スキャナに送り表示スクリーン２１６に投影するために、主赤色ビーム５８を形成するようにコンバイナ２１４内で結合される。しかしながら、以下のような差がある。第１に、ここでは、主ビーム５８の光路内にある単一のビーム形成光学アセンブリ２１８ではなく（図８参照）、各成分赤色ビームの光路内にビーム形成光学アセンブリ２２０が設けられる。アセンブリ２２０は前述のレンズ２４，２６を備えるが、まず、各光学アセンブリ２２０が物理的にそのレーザに近いことから、図８の光学アセンブリ２１８よりもサイズが小さい。

第２に、図９では、その偏光方向を変えるために、レーザハウジングの内の一方あるいはもう一方のハウジングを回転させるのではなく、両レーザが同じ方式で支持体上に設けられ、並べられる。すなわち、赤色レーザ２００の成分ビーム２０４は、楕円形ビームスポット２０８の長い方の寸法に平行な矢印２０６と同じように、楕円形ビームスポット２２４の長い方の寸法に平行な、両方向矢印２２２で示される偏光をもつ。成分ビーム２０４の偏光は、コンバイナに達する前に成分ビーム２０４の光路に半波長板２２６を挿入することで成分ビーム２０２の偏光に直交するようになる。半波長板２２６は不等方性、すなわち、異なる屈折率の２つの軸をもつ。半波長板を入射偏光成分ビームに対してその軸を４５°に向けることで、半波長板は偏光を９０°だけ回転させる。

前記と同様に、図９の実施形態は、照射される画素の、異なるカラー成分の輝度を同様に高めるために、青色および緑色レーザにも同じく適用可能である。

表示スクリーン２１６の画像１８のコントラストは周辺光の影響を受ける。周辺光が強くなれば、表示される画像のコントラストは低くなる。偏光スクリーンが周辺光からの影響を減らすことは公知である。しかしながら、図８〜９の実施形態において、表示スクリーン２１６にわたって走査される主ビーム４８は互いに直交して偏光される構成要素をもつため、偏光スクリーンの利点を生かすことができない。

偏光スクリーンの利点を生かすために、複合主ビームが偏光スクリーン上で走査される場合、赤色、青色および緑色ビームのおのおのが同じ偏光をもつことが所望される。図３に類似する図１０で示されるとおり、赤色および青色レーザ２２，２８は半導体レーザであり、両方向矢印２２８で概略的に示されるように、同一の偏光成分ビーム５８，５６をもつ。しかしながら、緑色レーザ３４は、円２３０により概略的に示されるように、偏光方向が赤色および青色成分ビーム５８，５６の偏光方向に対して垂直の倍周波数の固体レーザである。

したがって、本発明の他の特性により、赤色および青色ビーム５８，５６の偏光と一致するまで両方向矢印２３４で概略的に示されるように、偏光を回転させるために、半波長板２２６に類似する半波長板２３２が成分緑色ビーム、好ましくは回折されたビーム４０の光路内に挿入される。赤色、青色および緑色ビームの３つのビームが全て同一偏光をもてば、スクリーン２１６を偏光でき、これにより、周辺光の影響を減らすことができる。

上で説明した要素のおのおの、あるいはそれらを２つ以上合わせたものも、上で説明したタイプとは異なる他の構成タイプでの有用な適用例を見出す場合があることが理解されるであろう。

本発明は画像の質を改善するための装置およびその方法、特に、画像投影装置に対して実施されるものとして図示および記載されてきたが、いかなる場合でも本発明の精神から逸脱することなく、種々の改造および構造上の変更を行うことができることから、提示された詳細に限定することを意図するものではない。

さらなる分析を行うことなく、本発明の要旨は前の記載で完全に明らかされ、現行の知見を適用することで、従来技術の観点から見て、本発明の全般的あるいは特定の態様の本質的な特徴をかなり成り立たせる特性を無視することなく、種々の適用例に対して即座に他者が適用でき、そのためこのような適用例は、以下で示す請求項の意味および等価範囲内に含まれるべきであるか、もしくはそのように意図されている。

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、機器からの作動距離で画像を投影する手持型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ものの斜視図である。 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、本発明の一実施形態による、投影される画像の輝度を改善するための光学アセンブリの線図である。 図９は、本発明の他の実施形態による、輝度を改善するための光学アセンブリの線図である。 図１０は、図３と類似の図であり、画像コントラストを強めるための本発明の実施形態を示すものである。

Claims (18)

1. 画像を投影するための画像投影装置であって、
   ａ）互いに直交する走査方向に沿って主レーザビームを掃引し、それぞれが複数の画素を有する走査線のパターンを投影するためのスキャナと、
   ｂ）該スキャナに対して作動的に連結され、選択された画素を照射させ、可視化させて、該画像を生成させる制御装置と、
   ｃ）それぞれ出力電力および互いに直交する偏光をもつ複数の成分レーザビームを生成する光学アセンブリと、該成分レーザビームを組み合わせて、該成分レーザビームの各出力電力よりも大きな出力電力の該主レーザビームを形成し、該照射される画素の輝度を上げる偏光ビームコンバイナと
   を備える、画像投影装置。
2. 請求項１に記載の画像投影装置であって、前記光学アセンブリがサポートに設けられ、該光学アセンブリが、対の同一波長の前記成分レーザビームを発する一対のレーザを含み、前記コンバイナが、光路に沿って該成分レーザビームの内の１つのビームを透過させ、同一光路に沿って該成分レーザビームの他のビームを反射させるように作動する、画像投影装置。
3. 請求項２に記載の画像投影装置であって、前記レーザの内の少なくとも１つのレーザが、該少なくとも１つのレーザの前記成分レーザビームの前記偏光が他の前記レーザの前記成分レーザビームの前記偏光に対して直交するまで回転させるために、前記サポートに設けられる、画像投影装置。
4. 請求項２に記載の画像投影装置であって、前記光学アセンブリが、前記成分レーザビームの内の１つのビームの前記偏光を前記成分レーザビームの他のビームの前記偏光に対して直交するように変化させるための半波長板を含む、画像投影装置。
5. 請求項２に記載の画像投影装置であって、前記光学アセンブリが、前記主レーザビームを光学的に修正するためのビーム形成光学素子を含む、画像投影装置。
6. 請求項２に記載の画像投影装置であって、前記光学アセンブリが、前記成分レーザビームのおのおのを光学的に修正するためのビーム形成光学素子を含む、画像投影装置。
7. 請求項２に記載の画像投影装置であって、前記対のレーザの前記成分レーザビームが赤色であり、前記光学アセンブリが、同一波長で青色である別の対の成分レーザビームを発する別の対のレーザと、該青色成分レーザビームを組み合わせるための別のコンバイナとを含み、該光学アセンブリが、同一波長で緑色であるさらに別の対の成分レーザビームを発するさらに別の対のレーザと、該緑色成分レーザビームを組み合わせるためのさらに別のコンバイナとを含む、画像投影装置。
8. 請求項１に記載の画像投影装置であって、前記スキャナが、第１の走査速度および第１の走査角で前記走査方向の内の１つの方向に沿って前記主レーザビームを掃引するための第１の揺動可能な走査鏡と、該１つの走査方向に対して実質的に垂直な横の走査方向に沿って、該第１の走査速度と異なる第２の走査速度および該第１の走査角と異なる第２の走査角で該主レーザビームを掃引するための第２の揺動可能な走査鏡とを含む、画像投影装置。
9. 請求項８に記載の画像投影装置であって、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、画像投影装置。
10. 請求項２に記載の画像投影装置であって、前記制御装置が、前記選択された画素を照射するために前記レーザを励起し、該選択された画素以外の画素を照射しないように該レーザを停止するための手段を含む、画像投影装置。
11. 請求項７に記載の画像投影装置であって、前記光学アセンブリは、前記対の赤色成分レーザビーム、前記対の青色成分レーザビーム、および前記対の緑色の成分レーザビームをそろえ前記主レーザビームを形成するための光学要素であって、該主レーザビームの該赤色、該青色、および該緑色の成分レーザビームの前記偏光が同じである、光学要素と、該主レーザビームが掃引され前記照射された画素のコントラストが上がる偏光スクリーンとを含む、画像投影装置。
12. 請求項１１に記載の画像投影装置であって、前記光学要素の内の１つの要素が、前記対の緑色成分レーザビームの前記偏光を変化させて、前記対の赤色成分レーザビームおよび前記対の青色成分レーザビームの前記偏光と一致させるための半波長板を含む、画像投影装置。
13. 画像を投影する方法であって、
    ａ）互いに直交する走査方向に沿って主レーザビームを掃引し、それぞれが多くの画素を有する走査線のパターンを投影するステップと、
    ｂ）選択された画素を照射し、可視化して、画像を作るステップと、
    ｃ）それぞれの出力電力および互いに直交する偏光をもつ複数の成分レーザビームを生成するステップと、
    ｄ）該成分レーザビームを組み合わせ、該成分レーザビームの各出力電力よりも大きな出力電力の該主レーザビームを形成して、該照射された画素の輝度を上げるステップと
    を含む方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記生成するステップは、前記成分レーザビームの内の１つのビームを、その偏光が前記成分レーザビームの他のビームの前記偏光に対して直交するまで回転させることで実施される、方法。
15. 請求項１３に記載の方法であって、前記生成するステップは、前記成分レーザビームの内の１つのビームの経路に半波長板を設け、その偏光を前記成分レーザビームの他のビームの前記偏光に対して直交するように変化させることで実施される、方法。
16. 画像を投影するための画像投影装置であって、
    ａ）それぞれの偏光をもつ複数の成分レーザビームを生成し、該偏光がすべて同じである複合主レーザビームに該成分レーザビームを組み合わせるための光学アセンブリと、
    ｂ）偏光スクリーンと、
    ｃ）互いに直交する走査方向に沿って該主レーザビームを掃引し、該スクリーンに走査線のパターンを投影するスキャナであって、各走査線が多数の画素を有するスキャナと、
    ｄ）選択された画素を照射させ、可視化させ、該スクリーン上に該画像を作り、該照射された画素のコントラストを上げるための制御装置と
    を備える画像投影装置。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記成分レーザビームの内の１つのビームの前記偏光が前記成分レーザビームの他のビームの前記偏光に対して直交し、前記光学アセンブリが、前記複合主レーザビームに組み合わされる前に該１つの成分レーザビームの該偏光を変えるための半波長板を含む、方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記１つの成分レーザビームが緑色であり、前記他の成分レーザビームが赤色および青色である、方法。

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