JP2009500651A - 発散ビームによる走査レーザビーム画像投影のためのシステム及び対応する方法 - Google Patents

Abstract

投影器（３００）は、光ビームを生成するレーザ（３１０）と、画像データにより光ビームを変調する変調器（３２０）と、画像を表示するように光ビームを走査するスキャナ（３４０）と、ビーム幅を広げるように光ビームを発散させる発散器（３５０）（例えば、レンズ）とを有する。光ビームのビーム幅は、画像の画素の幅と略同じであるように広げられることが可能である。三色投影器（３００）は、第２及び第３光ビームを生成する第２及び第３レーザ（３１２，３１４）と、ビーム幅を広げるように第２及び第３光ビームを発散させる第２及び第３発散器（３５２，３５４）と、３つの光ビームを結合させるための手段（３３０）とを有する。

Description

本発明は、画像投影の分野に関し、特に、レーザビーム画像投影を走査する方法及びシステムに関する。

技術開発につれて、走査レーザビーム画像投影器は、益々小型化され、それ故、携帯できるようになってきた。同時に、それらの走査レーザビーム画像投影器はまた、価格が下がってきた。それらの傾向の結果、走査レーザビーム画像投影器の数及びそれらの装置の使用の両方における急増が予想される。例えば、小型の走査レーザビーム画像投影器は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯用ＭＰ３音楽プレーヤ、結合された通信／データ処理装置等に組み込まれる又はそれらを一体化されることが可能である。

安全性について、そのような装置の急増に伴って懸念されている。特に、人間の目に入り込む迷ったレーザ光は、視力に悪影響を及ぼす危険性を有する。それらの小さく、可搬的である走査レーザビーム画像投影器は、益々一般的になり、レーザ光が人間の目の中に不注意に方向付けられることが必然的に多く生じるようになるであろう。それ故、損傷性レーザ光に人間が不注意に晒される可能性を低減するための方法及び装置を備える必要がある。

米国特許第６，００２，５０５号明細書及び欧州特許第１５１３００８号明細書の各々において、光源と投影スクリーンとの間の光路に人間が入る又は入りつつあるときを検出するためのセンサを有する走査レーザビーム画像投影器について記載されている。米国特許第６，００２，５０５号明細書に記載されているシステムにおいては、レーザ投影器とと表示スクリーンとの間の光路に人間が入る又は入りつつあるとき、レーザに対する電流供給は切断される、又は、人間が検出される領域において走査するときに、レーザ光は照射されない。欧州特許第１５１３００８号明細書において開示されているシステムにおいては、光源と投影スクリーンとの間の光路に人間が入る又は入りつつあるとき、光ビームの強度は減少される又はゼロにされる。

しかしながら、それらの構成においては幾つかの不利点が存在している。一例を挙げると、それらにおいては、コストを高くし、投影器のサイズを大きくする付加センサ及び他の構成要素を必要とする。更に、それらの解決方法においては、携帯用動作環境ではなく、固定設置に対してより適するものである。また、それらのシステムは、例えば、検知領域に入る可能性のある無生物についてのような間違った警報によって動作される傾向にある。
米国特許第６，００２，５０５号明細書 欧州特許第１５１３００８号明細書

したがって、人間をレーザ光の損傷レベルに不注意に晒す可能性を低減する走査レーザビーム画像投影器を提供することが要請されている。また、人間を損傷レーザ光に不注意に晒す可能性を低減するレーザ光源を用いて画像を投影する方法を提供することが要請されている。本発明は、少なくとも１つの上記の課題を解決することを目的としている。

本発明の一特徴においては、画像投影装置は：第１乃至第３光ビームのそれぞれを生成するように適合されている第１、第２及び第３レーザと；画像データにより第１乃至第３光ビームを変調するように適合されている変調器と；画像を表示するように表示面において第１乃至第３光ビームを走査するように適合されているスキャナと；第１乃至第３光ビームを発散するように適合されている少なくとも１つのレンズであって、それ故、各々の発散された光ビームのビーム幅は、画像の画素の幅と略同じであるように広げられている、少なくとも１つのレンズと；を有する。

本発明の他の特徴においては、画像を表示する方法であって：第１レーザ光ビームを生成する段階と；画像データにより第１レーザ光ビームを変調する段階と；画像を表示するように表示面において第１レーザ光ビームを走査する段階と；第１レーザ光ビームを発散する段階であって、発散された第１レーザ光ビームのビーム幅は、画像の画素の幅と略同じである、段階と；を有する。

本発明の他の特徴においては、画像投影装置は：第１光ビームを生成するように適合されている第１レーザと；画像データにより第１光ビームを変調するように適合されている変調器と；画像を表示するように表示面に第１ビームを走査するように適合されているスキャナと；第１光ビームを発散するように適合されている第１発散器であって、それ故、第１光ビームのビーム幅は広くなる、第１発散器と；を有する。

図１は、表示面５におけるレーザ光ビーム３の走査投影を示している。図１に示すように、レーザ光源２は、画像９を生成するように表示面５のラスタ領域７においてレーザ光ビーム３を走査する。レーザ光ビーム３は、ラスタ領域７をカバーするように、水平方向角度θ及び鉛直方向角度φに亘って走査する。画像９は、その画像９の解像度を設定する複数の画素１１を有する。例えば、１つの標準的な高解像度画像フォーマットは、水平方向のライン当たり４８０個の画素１１を、画像９当たり３６０本の画素１１のラインを有することが可能であり、それは４８０ｘ３６０画像フォーマットと言われるものである。より高い解像度を有する他の表示フォーマット、例えば、６４０ｘ４８０、８００ｘ６００等がまた、可能であるが、より低い解像度のフォーマットは、携帯電話、ＰＤＡ等に有する低価格で携帯用の走査レーザビーム画像投影に対してより一般的である。

ここで表されている画素は、表示スクリーンにおける又はメモリに記憶される、画像の最も小さい分解可能領域と定義されている。単色画像における各々の画素は、それ自体、例えば、黒色について０から、白色について最大値（例えば、８ビット画素については２５５）までの輝度を有する。カラー画像においては、各々の画素は、それ自体、赤色、緑色及び青色（ＲＧＢ）強度の三原色として通常、表される輝度及びカラーを有する。

画素１１の角度幅はθ／Ｈで表され、ここで、Ｈはライン毎の画素数である。沿うように、画素１１の角度高さνはφ／Ｌで表され、ここで、Ｌは画像当たりのライン数である。一旦、レーザ光源２と表示面５との間の距離ｄが設定されると、表示面５における各々の画素１１の幅Ｗを、次式のように決定することができる。

（１） Ｗ＝２ｄ＊ｔａｎ（θ／２Ｈ）
同様に、表示面５における各々の画素１１の高さＨを、次式のように求めることができる。

（２） Ｈ＝２ｄ＊ｔａｎ（φ／２Ｌ）
例えば、Ｈ＝４８０、Ｌ＝３６０、ｄ＝１ｍ、θ＝６０°及びφ＝４５°である実施例について検討する。その場合、表示面５における画像９のサイズは約１．０５ｍｘ０．７９ｍ及びＷ＝Ｈ≒２．２ｍｍであることが理解できる。

一方、代表的なレーザ光ビームの角度ビーム幅（即ち、ｌ／ｅビーム幅）は、０．５ｍｒａｄ＝０．０２８６５°であり、ここで、距離ｄは１ｍであり、ビーム幅は０．５ｍｍである。

それ故、この場合、レーザ光ビームのビーム幅は、表示面５において表示される画像９の画素１１のサイズより小さいことが理解できる。それ故、レーザ光ビーム３の光エネルギー密度は、最大解像度で画像９を再生することが必要である場合に比べて大きい。したがって、レーザ光ビーム３のビーム幅を広くすることにより、画像解像度における損失を何ら伴うことなく、レーザ光ビーム３の光学的安全性を改善することができる。有利であることに、光学的安全性は、レーザ光ビーム３のビーム幅が画素１１の幅と略同じ（±１０％、好適には、±５％）であるようにされるとき、所望の画像解像度に対して最適化されることが可能である。

図２は、レーザ光ビーム３がレンズ２５により発散される場合の、表示面５におけるレーザ光ビーム３の走査投影を示している。有利であることに、レンズ２５は、表示面５の画像平面におけるビーム幅が表示画像９の画素１１の幅と略同じ（±１０％、好適には、±５％）サイズであるように、レーザ光ビーム３を発散させる。したがって、レーザ光ビーム３の光エネルギー密度は減少し、レーザ光ビーム３がレーザ光源２から遠ざかるにつれて、比例的に更に減少される。したがって、そのビームが迷って進み、不注意に人間の瞳に向けられた場合であっても、人間の目の網膜に入る光の密度はかなり小さい。この効果は、光の一部が目に悪影響を及ぼさないように、一旦、ビーム幅が人間の瞳のサイズより大きくなると、特に有利である。

図３は、走査レーザビーム画像投影器３００の一実施形態の機能ブロック図である。走査レーザビーム画像投影器３００は、第１乃至第３レーザ光源３１０、３１２及び３１４と、変調器３２０と、結合手段３３０と、スキャナ３４０と、第１乃至第３発散器３５０、３５２及び３５４とを有する。

有利であることに、第１乃至第３レーザ光源３１０、３１２及び３１４は、赤色光源、青色光源及び緑色光源を有する。しかしながら、他の色構成が可能であり、４つ以上の色（例えば、赤色、青色、緑色−１、緑色−２）について４つ以上のレーザ光源を用いることが可能である。

有利であることに、変調器３２０は、表示される画像にしたがって生成される光強度を変調するように、レーザ光源３１０、３１２及び３１４に供給される電流を制御する。他の変調構成を用いることが可能である。

有利であることに、結合手段３３０は、“通常の”ミラー３２２と、第１及び第２ダイクロイックミラー３３４及び３３６とを有する。導波路のような光結合器を用いる他の構成がまた、可能である。

有利であることに、スキャナ３４０は走査（偏向）ミラーを有する。

有利であることに、第１乃至第３発散器３５０、３５２及び３５４は、第１乃至第３レーザ光源３１０、３１２及び３１４のそれぞれからレーザビームのビーム幅を発散するように適合された光学レンズを有する。それらのレンズは単純な凸レンズであることが可能であり、又は円錐レンズのようなより複雑な構造を有することが可能である。拡散器、アパーチャ又は上記の全ての組み合わせが、単純な光学レンズに代えて、第１乃至第３発散器３５０、３５２及び３５４において用いられることが可能である。

走査レーザビーム画像投影器３００の動作について、ここで説明する。変調器３２０は、画像データを有する映像信号１５０を受け入れ、その画像データにしたがって第１乃至第３レーザ光源３１０、３１２及び３１４からの光を変調する。第１乃至第３レーザ光源３１０、３１２及び３１４の各々からの光は、第１乃至第３発散器３５０、３５２及び３５４の対応する一を透過する。第１乃至第３発散器３５０、３５２及び３５４の各々は、それらを透過した対応するレーザ光ビームの角度ビーム幅を大きくする。有利であることに、第１乃至第３発散器３５０、３５２及び３５４の各々は、画像が投影されるようになっている表示面において、画像平面におけるビーム幅が表示画像の画素の幅と略同じ（±１０％、好適には、±５％）サイズであるように、対応するレーザ光ビームを発散させる。

結合手段３００は、第１乃至第３レーザ光源３１０、３１２及び３１４からのレーザ光ビームを結合し、その結合された光ビームをスキャナ３４０に渡す。例えば、結合手段３３０がミラー３３２と、第１及び第２ダイクロイックミラー３３４及び３３５とを有する場合、第１レーザ光源１０からの第１レーザ光ビームは第１発散器３５０を透過し、第１ダイクロイックミラー３３４の方にミラー３３２により反射される。第１ダイクロイックミラー３２４は、第１レーザ光ビームを渡し、第２レーザ光現３１２からの第２レーザ光ビームを反射するように適合され、それにより、第１及び第２レーザ光ビームを結合して、その結合された第１及び第２レーザ光ビームを第２ダイクロイックミラー３２６の方に方向付ける。第２ダイクロイックミラー３２６は、第３レーザ光源３１４からの第３レーザ光ビームを渡し、結合された第１及び第２レーザ光ビームを反射するように適合され、それにより、第１、第２及び第３レーザ光ビームを結合し、その結合された第１、第２及び第３レーザ光ビームをスキャナ３４０の方に方向付ける。

したがって、レーザ光ビームの光エネルギー密度は、第１乃至第３発散器３５０、３５２及び３５４により減少され、それらのレーザ光ビームが走査レーザビーム画像投影器３００から遠ざかるように進むにつれて、更に比例的に減少される。このように低い密度のために、そのビームが迷って進み、不注意に人間の瞳に向けられた場合であっても、人間の目の網膜に入る光の密度はかなり小さい。この効果は、一旦、ビーム幅が人間の瞳のサイズより大きくなると、特に有利である。

任意に、異なる実施形態において、１つのみのレーザ光源３１０及び１つの発散器３５０が、単色画像を表示するように用いられることが可能である。そのような構成は、例えば、走査レーザビーム画像投影器が携帯用ＭＰ３音楽プレーヤに組み込まれている又はそのプレーヤと一体化されているときに、ＭＰ３ファイルのリストをブラウズするような、テキストを表示するときに用いられることが可能である。

他の変形も可能である。例えば、３つの別個の発散器を用いることに代えて、単独の発散器３５０（例えば、単独のレンズ）が、結合された第１、第２及び第３レーザ光ビームのビーム幅を増加させるように、第１、第２及び第３レーザ光ビームが結合された後に、光路内に供給されることが可能である。

上記においては、好適な実施形態について開示しているが、本発明の概念及び範囲から逸脱することなく、多くの変形が可能である。そのような変形については、上記詳細説明、図及び同時提出の特許請求の範囲を検討することにより、当業者に明らかになるであろう。本発明は、それ故、請求項の範囲及び主旨の範囲内を除いて、制約されるものではない。

表示面におけるレーザ光ビームの走査投影を示す図である。 光ビームが発散されている表示面におけるレーザ光ビームの走査投影を示す図である。 走査レーザビーム画像投影の一実施形態の機能ブロック図である。

Claims (19)

1. 第１乃至第３光ビームのそれぞれを生成するように適合されている第１、第２及び第３レーザ；
   画像データにより前記第１乃至第３光ビームを変調するように適合されている変調器；
   画像を表示するように表示面において前記第１乃至第３光ビームを走査するように適合されているスキャナ；並びに
   前記第１乃至第３光ビームを発散するように適合されている少なくとも１つのレンズであって、各々の発散された光ビームのビーム幅は、前記画像の画素の幅と略同じであるように広がっている、少なくとも１つのレンズ；
   を有する画像投影装置。
2. 請求項１に記載の画像投影装置であって、前記第１、第２及び第３光ビームを結合するための結合手段を更に有する、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、前記結合手段は２つのダイクロイックミラーを有する、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、前記少なくとも１つのレンズは３つのレンズを有し、該３つのレンズの各々は、前記第１、第２及び第３レーザの対応する一から前記第１乃至第３光ビームの対応する一を発散するように適合されている、画像投影装置。
5. 請求項４に記載の画像投影装置であって、前記３つのレンズを有し、該３つのレンズは、前記第１、第２及び第３レーザの対応する一から前記第１乃至第３光ビームの対応する一を発散するように適合されている、画像投影装置。
6. 請求項１に記載の画像投影装置であって、前記少なくとも１つのレンズは３つのレンズを有し、該３つのレンズの各々は、前記第１、第２及び第３レーザの対応する一から前記第１乃至第３光ビームの対応する一を発散するように適合されている、画像投影装置。
7. 画像を表示する方法であって：
   第１レーザ光ビームを生成する段階；
   画像データにより前記第１レーザ光ビームを変調する段階；
   前記画像を表示するように表示面において前記第１レーザ光ビームを走査する段階；及び
   前記第１光ビームを発散する段階であって、前記の発散された第１レーザ光ビームのビーム幅は、前記画像の画素の幅と略同じである、段階；
   を有する方法。
8. 請求項７に記載の方法であって：
   第２及び第３レーザ光ビームを生成する段階；
   画像データにより前記第２及び第３レーザ光ビームを変調する段階；
   前記画像を表示するように前記表示面において前記第２及び第３レーザ光ビームを走査する段階；並びに
   前記第２及び第３光ビームを発散する段階であって、前記の発散されたレーザ光ビームの各々のビーム幅は、前記画像の画素の幅と略同じである、段階；
   を有する方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記第１、第２及び第３レーザ光ビームを結合する段階を更に有する、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記第１、第２及び第３レーザ光ビームを発散する段階は、前記第１、第２及び第３レーザ光ビームが前記第１乃至第３レンズのそれぞれを透過する段階を有する、方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、前記第１、第２及び第３レーザ光ビームを発散する段階は、前記第１、第２及び第３レーザ光ビームを結合する段階に先だって存在している、方法。
12. 請求項７に記載の方法であって、前記第１レーザ光ビームを発散する段階は、前記第１レーザ光ビームがレンズを透過する段階を有する、方法。
13. 第１光ビームを生成するように適合されている第１レーザ；
    画像データにより前記第１光ビームを変調するように適合されている変調器；
    画像を表示するように前記第１光ビームを走査するように適合されているスキャナ；及び
    前記第１光ビームを発散するように適合されている第１発散器であって、前記第１光ビームのビーム幅は広がっている、第１発散器；
    を有する画像投影装置。
14. 請求項１３に記載の画像投影装置であって、前記第１発散器は、前記第１光ビームの前記ビーム幅を広げるように適合されていて、前記ビーム幅は前記画像の画素の幅と略同じである、画像投影装置。
15. 請求項１３に記載の画像投影装置であって、前記第１発散器はレンズを有する、画像投影装置。
16. 請求項１３に記載の画像投影装置であって：
    第２及び第３光ビームを生成するように適合されている第２及び第３レーザ；並びに
    前記第２及び第３光ビームを発散するように適合されている第２及び第３発散器であって、前記第２及び第３光ビームの各々のビーム幅は広がっている、第２及び第３発散器；
    を更に有する、画像投影装置であり、
    前記変調器は、画像データにより前記第２及び第３光ビームを変調するように適合されていて；
    前記スキャナは、前記画像を表示するように表示面において前記第２及び第３光ビームを走査するように適合されている；
    画像投影装置。
17. 請求項１６に記載の画像投影装置であって、前記第１、第２及び第３発散器は、前記第１、第２及び第３光ビームのそれぞれのビーム幅を広げるように適合されていて、前記第１、第２及び第３光ビームの各々のビーム幅は前記画像の画素の幅と略同じである、画像投影装置。
18. 請求項１６に記載の画像投影装置であって、前記第１、第２及び第３発散器はレンズを有する、画像投影装置。
19. 請求項１８に記載の画像投影装置であって、前記第１、第２及び第３光ビームを結合するための結合手段を有し、前記結合器は２つのダイクロイックミラーを有する、画像投影装置。

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