JP2009535654A - 蛍光スクリーンを用いた走査ビーム型表示システムの光学設計 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光スクリーンを用いた走査ビーム型表示システムの光学設計を提供する。
【解決手段】蛍光スクリーン上の走査光に基づく走査ビーム型表示システムである。スクリーンには、走査光により励起されて可視光を発光し、発光した可視光により画像を形成する蛍光材料を含めることができる。多数のレーザーを用いることにより、同時に多数のレーザービームを走査してスクリーンを照射し、表示明度を強化することができる。たとえば、多数のレーザービームにより１スクリーンセグメントを同時に照射し、多数のスクリーンセグメントを順次に走査してスクリーン全体を完成することができる。記載の走査ビーム型表示装置においては、ガルボミラーとポリゴンスキャナの組み合わせ、及びホログラフィックスキャナを含む多様な走査技術を実施することができる。
【選択図】図３

Description

本ＰＣＴ出願は、以下の先行特許出願の利益を主張する。

１．２００５年１０月２５日出願の米国仮出願第６０／７３０，４０１号、発明の名称「ＵＶ励起可能なリン光スクリーンとホログラフィックビームスキャナに基づく高解像度表示プロジェクタ」

２．２００６年８月２４日出願の米国特許出願第１１／５１０，４９５号、発明の名称「蛍光スクリーンを用いた走査ビーム型表示システムの光学設計」

３．２００６年１月１９日出願の米国特許出願第１１／３３７，１７０号、発明の名称「光学蛍光材料を含む表示スクリーン」

４．２００６年５月２日出願の米国特許出願第１０／５７８，０３８号、発明の名称「光学蛍光材料を含むスクリーンを備える表示システムと装置」

５．２００６年３月３日出願の米国仮特許出願第６０／７７９，２６１号、発明の名称「走査光を用いる表示システムと結像レンズアセンブリによる光学的ひずみの電子補正」

６．２００６年５月１５日出願の米国仮特許出願第６０／８００，８７０号、発明の名称「角柱層を有する蛍光スクリーン等の蛍光スクリーンを用いた表示システム」

７．２００６年３月３１日出願のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００６／１１７５７号、発明の名称「光学蛍光材料を含むスクリーンを有する表示システム」

本願においては、上記出願の全開示内容を本願明細書の一部として参照により取り込む。

本願は、レーザー型画像・映像用表示装置等の、光励起下で有色光を発光する蛍光材料を含むスクリーンを用いた表示システム、及びこのような表示装置のスクリーン設計に関する。

多くの画像・映像用表示装置は、赤、緑、青等の異なる色のカラー画像を直接生成して、その後カラー画像をスクリーン上に投影するように設計されている。このようなシステムはしばしば「投射型表示装置」と呼ばれ、当該システムにおいては、スクリーンは単にカラー画像を観察者に見えるようにするための面でしかない。このような投射型表示装置においては、白色ビームをフィルターにかけ、変調して赤、緑、及び青の画像を生成する白色光源が用いられることがある。または、赤、緑、青の３色の光源を用いて直接的に赤、緑、青の３色のビームを生成し、これら３色のビームを変調して赤、緑、青の画像を生成する。このような投射型表示装置の例としては、デジタル・ライト・プロセシング（ＤＬＰ）表示装置、リキッドクリスタル・オン・シリコン（ＬＣｏＳ）表示装置、及び回折格子ライトバルブ（ＧＬＶ）表示装置がある。特に、ＧＬＶ表示装置においては、赤、緑、青のレーザービームをそれぞれ変調する３つの回折格子ライトバルブと、カラー画像をスクリーン上に形成するためのビームスキャナが用いられる。レーザー型の投射型表示装置の別の例が、米国特許第５，９２０，３６１号、発明の名称「画像投射方法及び装置」において記載されている。投射型表示装置においては、光学レンズシステムを用いてカラー画像を結像しスクリーン上に投影する。

その他の画像・映像用表示装置の中には、スクリーン自体に光を生成する色画素が含まれてカラー画像が直接的にスクリーン内にて形成される「直接的」構成を用いるものがある。このような直接的表示装置は、画像を投射するための光学レンズシステムが省かれているので、スクリーンの大きさが等しい投射型表示装置に比べて比較的小型に製造することができる。直接的表示システムの例としては、プラズマ表示装置、液晶表示装置（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）表示装置（たとえば、有機発光ダイオード表示装置）、及び、電界放出表示装置（ＦＥＤ）がある。このような直接的表示装置における各色画素の内部には隣接し合う３つの色画素が含まれており、それぞれが、ＬＥＤ表示装置とＦＥＤにおけるように直接的に有色光を発光することにより、又は、ＬＣＤ等におけるように白色光をフィルターにかけることにより、赤、緑、及び青の光を生成する。

これら及びその他の表示装置により、創成以来何十年にわたって表示装置市場を支配してきたブラウン管（ＣＲＴ）表示装置が取って代わられている。ＣＲＴ表示装置においては、真空管内で走査電子ビームを用いてスクリーン上の赤、緑、青のカラーリン光体を励起することにより有色光を発光し、カラー画像を生成する。ＣＲＴ表示装置は高解像度にて鮮やかな色と明るい画像を生成することができるが、陰極線管を用いることはＣＲＴ表示装置に重大な技術的制約を課すことであり、近年におけるＣＲＴ表示装置需要の劇的低下へとつながっている。

本願の明細書においては、とりわけ、蛍光スクリーン上の走査光に基づく走査ビーム型表示システムを記載する。スクリーンには、走査光に励起されて可視光を発光し、発光した可視光により画像を形成する蛍光材料を含めることができる。多数のレーザーを用いて多数のレーザービームを同時に走査してスクリーンを照射し、表示明度を強化することができる。たとえば、多数のレーザービームにより１スクリーンセグメントを同時に照射し、多数のスクリーンセグメントを順次に走査してスクリーン全体を完成することができる。

たとえば、本明細書に記載の一走査ビーム型表示システムは、レーザーアレイを形成し、レーザービームをそれぞれ生成する複数のレーザーと、複数のレーザービームの光路に設置され、複数のレーザービームを二つの直交する方向に走査する走査モジュールと、複数のレーザーと走査モジュールとの間に設置され、レーザービームの二つの隣接するレーザービーム間の間隔を狭め、走査モジュールにおいて複数のレーザービームを互いに重ならせる複数のレンズを有するアフォーカル光リレーモジュールとを含むことができる。アフォーカル光リレーモジュールの一実施例においては、光リレーモジュールは、第一焦点距離を有し、複数のレーザーから複数のレーザービームを受光して集束させる第一レンズと、第一焦点距離より小さい第二焦点距離を有し、第一レンズから第一焦点距離だけ離間し、第一レンズからの複数のレーザービームを集束させる第二レンズと、第二焦点距離より大きい第三焦点距離を有し、第二レンズから第三焦点距離だけ離間し、第二レンズからの複数のレーザービームを集束させて走査モジュールへと方向付ける第三レンズとを含むことができる。走査モジュールの一実施例においては、走査モジュールは、第三レンズから複数のレーザービームを受光して、受光した複数のレーザービームを第一走査方向に沿って走査するよう配置されたガルボミラーと、ガルボミラーから複数のレーザービームを受光するよう配置され、受光した複数のレーザービームを第一走査方向に直交する第二走査方向に沿って走査するよう動作するポリゴンスキャナとを含むことができ、システムは、ガルボミラーとポリゴンスキャナとの間に設置され、ガルボミラーをポリゴンスキャナへと結像する光学結像レンズモジュールを更に含む。

別の例として、表示システムは、レーザーアレイを形成し、レーザービームをそれぞれ生成する複数のレーザーと、複数のレーザービームの光路に設置され、複数のレーザービームを二つの直交する方向に走査する走査モジュールと、複数のレーザービームに照射されたとき、可視光を発光して発光光により画像を形成する蛍光材料を含むスクリーンと、走査モジュールから複数のレーザービームを受光し、複数のレーザービームをスクリーンに投射するよう配置される走査レンズと、複数のレーザービームを反射する第一と第二の光反射器とを含む。第一の光反射器は、走査レンズからの複数の走査レーザービームを第二の光反射器へと反射するよう配置され、第二の光反射器は、第一の光反射器からの複数の走査レーザービームをスクリーンへと反射するよう配置され、第一と第二の光反射器は、走査レンズからスクリーンへの光路を折り返して走査レンズとスクリーンとの間の距離を狭めるよう配置される。

本願の明細書においては、スクリーン上に光を走査して画像を表示する方法の例を更に記載する。本方法は、表示すべき画像を搬送する光パルスを含むよう光を変調する段階と、光を二つの直交する走査方向に走査する段階と、走査された光を走査レンズを用いてスクリーンに投射し、画像を表示する段階とを含み、スクリーン上に表示されたときに走査レンズにより生じる歪みを打ち消す画像歪みを含むよう、歪んだ画像を含めるべく光を変調する。本方法の一実施例においては、スクリーン上に表示されたときに走査レンズにより生じる歪みの一部が打ち消されるよう、一走査方向において光パルスのタイミングを制御する。

更なる例として、画像を搬送するよう変調された少なくとも一つの励起ビームを生成する光源と、励起ビームを二つの直交する方向に走査する走査モジュールと、走査された励起ビームを受光し、走査された励起ビームに照射されて可視光を発光し、発光した可視光により画像を形成する蛍光スクリーンと、走査モジュールから走査された励起ビームを受光し、走査された励起ビームをスクリーンに投射するよう配置された二次元ｆ−θ走査レンズとを含む表示システムを記載する。このシステムは、光源と通信して画像の画像データを供給し、励起ビームを変調する光源を制御する信号変調制御器を更に含むことができる。信号変調制御器は、スクリーン上に表示されたときに二次元ｆ−θ走査レンズの光学的ひずみを打ち消す画像歪みを含む画像データを供給する。

蛍光スクリーン上の走査光に基づく走査ビーム型表示システムの多様な実施例において、ホログラフィックビームスキャナを用いて少なくとも一つのレーザービームを走査してよい。たとえば、リン光体スクリーンを走査するＵＶレーザー励起ビームを走査するべくホログラフィックビームスキャナを用いることができ、リン光体スクリーンはＵＶレーザー光を吸収して所望のカラーと画像を生成する。表示システムは、たとえば、それぞれが励起波長の光を吸収して可視色の光を発光する複数の平行な蛍光ストライプを含むスクリーンと、励起波長のレーザービームを投射してスクリーンを走査し、レーザービームの光変調により搬送される画像を、スクリーン上の複数の蛍光ストライプにより生成されるカラー画像へと変換するレーザーモジュールとを含むことができる。レーザーモジュールは、レーザービームを少なくとも一つの方向に走査するホログラフィックビームスキャナを含む。適切なホログラフィックスキャナは、多様な構成とすることができる。一設計においては、たとえば、ホログラフィックスキャナは、ホログラムパターンが記録され、走査のために入射ビームを偏向するよう回転されるホログラフィックディスクを含むことができる。ガルボミラーあるいは別のビーム走査デバイスを用いてスクリーンの「垂直」走査を行いつつ、本願に記載のいくつかの例におけるポリゴンビームスキャナの代わりとしてホログラフィックビームスキャナを用いてスクリーンの「水平」走査を行ってよい。別の実施例においては、水平ビーム走査と垂直ビーム走査をそれぞれ行う二つの別個のホログラフィックスキャナを用いることができる。更に別の実施例においては、水平方向にビーム走査するための第一ホログラムパターンと、垂直方向にビーム走査するための第二ホログラムパターンとを単一の回転ホログラフィックディスクに記録することにより、単一のホログラフィックスキャナを用いて水平方向と垂直方向の二次元走査を行ってよい。

図面、発明を実施するための最良の形態、及び特許請求の範囲において、これら及びその他の例と実施例を詳細に記載する。

図１は、表示するべき画像情報を搬送する走査レーザービームによって励起されて有色光を発光するレーザー励起リン光体により形成された蛍光スクリーンを有する走査レーザー型表示システムの例を示す。

図２Ａと図２Ｂは、スクリーン構造の一例と、図１のスクリーン上の色画素の構造とを示す。

図２Ｃは、光励起下で白色光を発光する一様な蛍光層の層上に互いに平行な光学フィルターを配置することにより形成した蛍光ストライプを有する蛍光スクリーンの別の例を示す。

図３は、スクリーンに多数のレーザービームを導く多数のレーザーを有する図１のレーザーモジュールの実施例を示す。

図４は、多数の走査レーザービームにより多数のスクリーンセグメントを同時に走査する一例を示す。

図５Ａと図５Ｂは、図３の表示システムを実施するための、異なる走査ビームをスクリーン上に生成するレーザーのアレイを備えたレーザーモジュールの例を示す。

図６、図７、図８、及び図９は、レーザービームの垂直方向を制御するレーザーアクチュエータを有するレーザーの例を示す。

図１０は、図３の走査レーザーモジュールを実施するためのレーザーモジュールの光学的配置を示す。

図１１は、三つのレンズ素子を有する二次元ｆ−θ走査レンズの例を示す。

図１２は、図１０のアフォーカルリレーの代替的設計を示す。

図１３は、ガルボミラーをポリゴンスキャナの反射面に結像するための、ガルボミラーとポリゴンスキャナとの間のアフォーカルリレーの例を示す。

図１４は、図３のレーザーモジュールに基づいた走査型表示システムの走査レンズにより生じる弓形歪みを示す。

図１５は、図３の設計に基づいた走査システムの走査レンズにより生じるスクリーン上の歪みの測定例を示す。

図１６Ａと図１６Ｂは、走査ビーム型背面投射システムにおいて、リン光体を有するスクリーンへと走査レーザービームを導く折り返し光路の二例を示す。

図１７Ａと図１７Ｂは、励起ビームの伝播方向に沿ってガルボミラーの上流にポリゴンスキャナを配置した、蛍光スクリーンを用いる走査ビーム型表示装置を示す。

図１８Ａと図１８Ｂは、ホログラフィックスキャナを構成するために用いることができるホログラフィックディスクの例を示す。

図１９、図２０、図２１、及び図２２は、図１８Ａと図１８Ｂに示すホログラフィックディスクを用いたホログラフィックディスクスキャナの例を示す。

本願においては、光励起下で発光して画像を生成する蛍光材料を含むスクリーンを用いた走査ビーム型表示システムを記載するが、このようなシステムとしては、励起レーザー光を吸収して有色光を発光することにより画像を生成するレーザー励起可能な蛍光スクリーンを用いたレーザーベクトルスキャナ表示装置及びレーザー型映像表示装置がある。蛍光材料を用いるスクリーン設計の多様な例を記載する。一本以上の走査励起レーザービームにより励起されるリン光材料を含むスクリーンを詳細に記載し、本願の多様なシステム・装置の例において光励起される蛍光材料の特定の実施例として用いる。

一実施例においては、たとえば、レーザービームにより光学的に励起されて、カラー画像を形成するのに適した、赤、緑、及び青色の光をそれぞれ生成する３つの異なるカラーリン光体を、スクリーン上に画素ドットとして、又は赤、緑、青の平行なリン光体ストライプの繰り返しとして形成してよい。本願に記載する様々な例においては、赤、緑、青の光を発光する平行なカラーリン光体ストライプを含んだスクリーンを用いてレーザー型表示装置の多様な特性について説明する。リン光体材料は蛍光材料の一種である。例に記載する、蛍光材料としてリン光体を用いる多様なシステム、装置、特徴的構成は、その他の、つまりリン光体でない、光励起可能な発光蛍光材料により製造されるスクリーンを用いた表示装置に適用することができる。

たとえば、量子ドット材料は、適切に光励起されることにより発光するので、本願におけるシステム及び装置の蛍光材料として使用することができる。より具体的には、半導体化合物、とりわけ、ＣｄＳｅとＰｂＳを、発光量子ドット材料として、直径がおおよそ当該化合物の励起子ボーア半径である粒子の形状に形成することができる。異なる色の光を生成するべく、異なるエネルギーバンドギャップ構造を有する異なる量子ドット材料を用いることにより、同一の励起光の下で異なる色を発光してよい。量子ドットの中には、大きさが２乃至１０ナノメーターの間であって、原子を数十個、たとえば１０乃至５０個含むものがある。量子ドットを多様な材料に分散・混合して溶液、粉末、ゼリー状マトリクス材、及び固体（たとえば固溶体）を形成してよい。本願におけるシステム又は装置用のスクリーンとしての基板の上に、量子ドットフィルム又はストライプ状フィルムを形成してよい。一実施例においては、たとえば、３種の異なる量子ドット材料を光ポンプとしての走査レーザービームにより光学的に励起されるように設計・処理して、カラー画像を形成するのに適した赤、緑、青の光を生成することができる。このような量子ドットを平行線（たとえば、順次的に繰り返す赤色画素ドットライン、緑色画素ドットライン、及び青色画素ドットライン）上に配列された画素ドットとしてスクリーン上に形成してよい。

本明細書において記載する走査ビーム型表示システムの例においては、少なくとも１本の走査レーザービームを用いてスクリーン上に堆積されたカラー光発光材料を励起することによりカラー画像を生成する。走査レーザービームを変調して赤、緑、青、又はその他の可視色の画像を載せ、レーザービームにより赤、緑、青のカラー光発光材料がそれぞれ赤、緑、青の画像で励起されるように制御する。それゆえ、走査レーザービームは画像を搬送するが、観察者に観察される可視光を直接的には生成しない。それに代えて、スクリーン上のカラー光発光蛍光材料が走査レーザービームのエネルギーを吸収して赤、緑、青、又はその他の色の可視光を発光し、観察者に観察される実際のカラー画像を生成する。

蛍光材料を、当該蛍光材料を発光または冷光発光させるのに十分なエネルギーを有する１以上のレーザービームを用いてレーザー励起することは、光励起の多様な形態のうちの一つである。その他の実施例においては、スクリーン内に使用される蛍光材料を励起するのに十分なエネルギーを有する、レーザーでない光源により光励起状態を生成してよい。レーザーでない励起光源の例としては、多様な発光ダイオード（ＬＥＤ）、ランプ、及び、より高いエネルギーの光を可視領域のより低いエネルギーの光へと変換する蛍光材料を励起させる波長またはスペクトル帯の光を生成するその他の光源がある。スクリーン上の蛍光材料を励起する励起光ビームは、蛍光材料により発光される可視光の周波数より高い周波数またはスペクトル域のものであってよい。それゆえ、励起光ビームは紫のスペクトル域及び紫外線（ＵＶ）のスペクトル域のもの、たとえば、４２０ｎｍ未満の波長のものであってよい。以下に記載する例においては、ＵＶ光またはＵＶレーザービームがリン光体材料又はその他の蛍光材料の励起光の例として用いられるが、その他の波長の光であってよい。

図１おいて、カラーリン光体ストライプを含むスクリーンを用いたレーザー型表示システムの例を示す。または、カラーリン光体ドットを用いてスクリーン上の画像画素を画定してよい。システムには、少なくとも１本の走査レーザービーム１２０を生成してスクリーン１０１に投射するレーザーモジュール１１０が含まれる。スクリーン１０１は垂直方向に互いに平行なカラーリン光体ストライプを有しており、赤色リン光体はレーザー光を吸収して赤色光を発光し、緑色リン光体はレーザー光を吸収して緑色光を発光し、青色リン光体はレーザー光を吸収して青色光を発光する。隣接する３つのカラーリン光体ストライプは、それぞれ異なる３つの色を有している。ストライプの一特定的な空間的色連続体を、図１においては、赤、緑、青にて示す。その他の色連続体を使用してもよい。レーザービーム１２０は、カラーリン光体の光吸収帯域内の波長を有しており、カラー画像の可視色である青、緑、赤よりも短い波長を通常有する。例として、カラーリン光体は、約３８０ｎｍ乃至約４２０ｎｍのスペクトル域内のＵＶ光を吸収して所望の赤、緑、青の光を生成するリン光体であってよい。レーザーモジュール１１０には、ビーム１２０を生成するためのＵＶダイオードレーザー等の１以上のレーザーと、ビーム１２０を水平かつ垂直に走査して１回につき１画像フレームをスクリーン１０１に表示するビーム走査メカニズムと、ビーム１２０を変調して赤、緑、青の画像チャネル毎の情報を載せる信号変調メカニズムとを含めることができる。このような表示システムを、観察者とレーザーモジュール１１０がスクリーン１０１を挟んで反対側に位置する背面投射型システムとして構成してよい。または、このような表示システムを、観察者とレーザーモジュール１１０がスクリーン１０１の同じ側に位置する正面投影型システムとして構成してよい。

図２Ａは、図１におけるスクリーン１０１の典型的設計を示す。スクリーン１０１は、走査レーザービーム１２０を透過させ、かつ走査レーザービーム１２０を受光するためにレーザーモジュール１１０に対面する背面基板２０１を含んでよい。第二の正面基板２０２は背面基板２０１に対して固定されており、背面投射型構成において観察者に対向する。リン光体ストライプを含むカラーリン光体ストライプ層２０３が基板２０１と２０２の間に配置される。赤、緑、及び青色を発光するカラーリン光体ストライプをそれぞれ「Ｒ」、「Ｇ」、及び「Ｂ」により示す。正面基板２０２は、リン光体ストライプが発光する赤色、緑色、青色を透過させる。基板２０１と２０２を、ガラス製、またはプラスチック製のパネル等の多様な材料から形成してよい。各色画素には、水平方向に隣接する３つのカラーリン光体ストライプそれぞれの一部が含まれており、各色画素の垂直方向寸法はレーザービーム１２０の垂直方向におけるビーム拡がりにより画定される。したがって、各色画素には、３つの異なる色（たとえば、赤、緑、及び青）の３つの副画素が含まれる。レーザーモジュール１１０は、レーザービーム１２０を１回につき１水平ラインずつ、たとえば左から右、上から下へと走査してスクリーン１０１全体を走査する。レーザービーム１２０とスクリーン１０１上の各画素位置とが正しい対応関係となることが保証されるような所定の方法においてビーム１２０の走査を制御できるように、レーザーモジュール１１０は、スクリーン１０１に対する相対位置が固定される。

図２Ａにおいて、走査レーザービーム１２０は画素内の緑色リン光体ストライプに向けられ、当該画素の緑色光が生成されている。図２Ｂにおいて、更に、スクリーン１０１の面に対して直交する方向Ｂ−Ｂに沿った図によりスクリーン１０１の操作を図示する。各カラーストライプは縦長形状であるので、ビーム１２０の断面をストライプの方向に沿って引き伸ばされた形状として、画素の各カラーストライプ内においてビームのフィルファクタを最大化してよい。これは、ビームを整形するための光学素子をレーザーモジュール１１０内で使用することにより達成されるであろう。スクリーン上のリン光体材料を励起する走査レーザービームを生成するべく用いられるレーザー源は、シングルモード・レーザーであってよく、マルチモード・レーザーであってもよい。また、レーザーは、ビームが各リン光体ストライプの幅に収まるようその拡がりを小さくするべく、リン光体ストライプの長手方向に対して直交する方向に沿ってはシングルモードであってもよい。リン光体ストライプの長手方向に沿っては、レーザービームにマルチモードを与えて、リン光体ストライプを横断する方向でのビーム拡がりよりも大きい面積に対してレーザービームが拡がるようにしてよい。このように、一方向においてはスクリーン上でのビームフットプリントが小さくなるようにシングルモードにて、その直交方向においてはスクリーン上でのフットプリントがそれより大きくなるようにマルチモードにてレーザービームを用いることにより、スクリーン上の細長形状の副色画素に適合するようにビームを整形することができ、また、スクリーンに十分な明るさを確保するべく、マルチモードによりビームに十分なレーザー強度を付与することができる。

図２Ｃにおいて、混合リン光体の連続的かつ一様な層２２０を有する蛍光スクリーン設計の別の例を示す。この混合リン光体層２２０は、励起光１２０による光励起下で白色光を発光するよう設計・構成される。混合リン光体層２２０における混合リン光体は、多様な方法で設計することができ、白色光を発光する混合リン光体の数多くの組成が知られており、記録されている。特に、赤色透過フィルター、緑色透過フィルター、及び青色透過フィルターから成るストライプ等のカラーフィルターの層２１０が混合リン光体層２２０の観察者側に配置され、白色光をフィルタリングして有色出力光を生成する。層２１０と２２０を基板２０１と２０２の間に挟むことができる。カラーフィルターは、カラーＬＣＤパネルに用いられるカラーフィルターと類似した設計を含む多様な構成により実施してよい。各カラーフィルター領域、たとえば赤色透過フィルターにおいて、フィルターは赤色光を透過させ、緑色光と青色光を含むその他の色の光を吸収する。層２１０の各フィルターは所望の透過帯域を有するバンドパス干渉フィルターを可能にする多層構造であってよい。このようなフィルターを設計して構築するべく多様な設計と技術を用いてよい。たとえば、米国特許第５，５８７，８１８号、発明の名称「ブラックマトリクスと赤色及び／又は青色フィルターを一方の基板に有し、緑色フィルターと赤色及び／又は青色フィルターを反対側の基板に有する三色ＬＣＤ」、及び米国特許第５，６８４，５５２号、発明の名称「多層薄膜から形成されるカラーフィルターを有するカラー液晶表示装置」には、図２Ｃのスクリーン設計に使用してよい赤色、緑色、及び青色のフィルターが記載される。したがって、本願に記載の多様な例に係る蛍光スクリーン１０１における蛍光ストライプは、光励起下で指定された色を発光する蛍光ストライプであり、設計に係る色を発光する特定の蛍光材料から形成される図２Ａの蛍光ストライプであってよく、又は図２Ｃのストライプカラーフィルターと白色蛍光層とを組み合わせたものであってよい。

図３において、図１のレーザーモジュール１１０の実施例を示す。多数のレーザーを有するレーザーアレイ３１０を用い、表示明度を強化するべく同時にスクリーン１０１を走査する多数のレーザービーム３１２を生成する。信号変調制御器３２０を設けてレーザーアレイ３１０のレーザーを制御・変調し、スクリーン１０１に表示すべき画像をレーザービーム３１２に載せるべく変調する。信号変調制御器３２０には、３つの異なるカラーチャネルのデジタル画像信号を生成するデジタル画像プロセッサと、デジタル画像信号を載せたレーザー制御信号を生成するレーザードライバ回路を含めることができる。次に、レーザーアレイ３１０において、たとえばレーザーダイオードにとっての電流のように、レーザーにレーザー制御信号を印加して変調する。

垂直走査についてはガルボミラー等の走査ミラー３４０を用い、水平走査については多面ポリゴンスキャナ３５０を用いることによりビーム走査を行う。走査レンズ３６０を用いてポリゴンスキャナ３５０からの走査ビームをスクリーン１０１に投射する。走査レンズ３６０は、レーザーアレイ３１０の各レーザーをスクリーン１０１上に結像させる設計である。ポリゴンスキャナ３５０の異なる反射面のそれぞれは、Ｎ本の水平ラインを同時に走査するが、ここでＮはレーザーの個数である。図示の例において、レーザービームは、まずガルボミラー３４０へ導かれ、次にガルボミラー３４０からポリゴンスキャナ３５０へと導かれる。出力走査ビーム１２０は、次にスクリーン１０１上に投射される。中継光学モジュール３３０がレーザービーム３１２の光路に設けられ、レーザービーム３１２の空間特性を修正し、ガルボミラー３４０とポリゴンスキャナ３５０による走査により走査ビーム１２０としてスクリーン１０１に投射されてリン光体を励起し、リン光体が発光する有色光により画像を生成させる密に詰まったビーム３３２の束を生成する。

レーザービーム１２０は、スクリーン１０１を空間横断的に走査し、異なる色画素それぞれに時間差を置いて衝突する。したがって、各被変調ビーム１２０は赤、緑、青色の画像信号のそれぞれを異なる時間に各画素に対して搬送し、また異なる時間に異なる画素に対して搬送する。それゆえ、ビーム１２０は、信号変調制御器３２０により、異なる画素に対しては異なる時間に画像情報で符号化される。したがって、ビーム走査により、時間領域で符号化された、ビーム１２０に含まれる画像信号がスクリーン１０１上の空間画素に対して写像される。たとえば、被変調レーザービーム１２０においては、各色画素時間を、３つの異なる色のチャネルについての３つの副色画素用の３つの順次的な時間帯へと均等に分割することができる。ビーム１２０の変調にあたっては、パルス変調技術を用いて、各色において所望のグレースケールを、各画素において適切な色配合を、また、所望の画像明度を生成してよい。

一実施例においては、多数のビーム１２０は、スクリーン１０１上の隣接する異なる垂直方向位置へとそれぞれ導かれ、このとき隣接する２つのビームは互いから、スクリーン１０１上で垂直方向に、スクリーン１０１の１水平ライン分だけ離間している。ガルボミラー３４０の所与の位置とポリゴンスキャナ３５０の所与の位置において、ビーム１２０はスクリーン１０１の垂直方向に沿って互いに整列していなくてよく、つまりスクリーン１０１の水平方向に沿って異なる位置に在ってよい。ビーム１２０は、スクリーン１０１の一部しかカバーできない。ガルボミラー３４０の角度位置を固定すると、ポリゴンスキャナ３５０の回転により、スクリーン１０１上のＮ本の隣接する水平ラインを含む１スクリーンセグメントがレーザーアレイ３１０のＮ個のレーザーからのビーム１２０により走査される。１スクリーンセグメントの水平方向走査が終了する度にガルボミラー３４０を異なる固定角度位置へと調節することにより、Ｎ本のビーム１２０の全ての垂直方向位置を調節して、Ｎ本の水平ラインを含む、隣接する次のスクリーンセグメントを走査する。スクリーン１０１全体を走査して完全なスクリーン表示が生成されるまでこの処理を繰り返す。

図４において、上記した、複数の走査レーザービームによる１スクリーンセグメントの同時走査と、連続するスクリーンセグメントの順次走査を示す。見た目上、ビーム１２０はペイントブラシのように振る舞い、同時に１つの太い水平ストロークでスクリーン１０１を横断して「ペイント」することにより１スクリーンセグメントをカバーし、次に更なる太い水平ストロークで「ペイント」して垂直方向に移動した部分にある隣接するスクリーンセグメントをカバーする。レーザーアレイ３１０に３６個のレーザーが含まれると想定すると、スクリーン１０１の１０８０ライン順次走査においては、全体を走査するには３０個の垂直方向に並んだスクリーンセグメントを走査する必要がある。したがって、この構成においては、実質的に、スクリーン１０１を垂直方向に沿って複数のスクリーンセグメントに分割して、Ｎ本の走査ビームにより同時に１スクリーンセグメントを走査するようにするが、ここでは各走査ビームはスクリーンセグメントにおけるラインを１本だけ走査し、つまり異なるビームにより当該スクリーンセグメントにおける順次的ラインのうち異なるラインをそれぞれ走査する。１スクリーンセグメントの走査が終了すると、Ｎ本の走査ビームを同時に移動させて隣接する次のスクリーンセグメントを走査する。

多数のレーザービームを用いる上記の設計において、スクリーン全体にわたり、各走査レーザービームにより走査されるのは、垂直方向に沿ったスクリーンセグメントの数に等しい数のラインだけである。したがって、水平走査用のポリゴンスキャナは、単一のビームによりスクリーン全体の全ラインを走査する単一ビーム設計において必要とされる走査速度よりも遅い速度で動作することができる。スクリーン上の水平ラインの全数についての所与値（たとえば、ＨＤＴＶにおいては１，０８０本）に関して、スクリーンセグメントの数は、レーザーの数を増加させるにつれ減少する。したがって、レーザーが３６個であるとき、ガルボミラー３４０とポリゴンスキャナ３５０は、１フレーム当たり３０本のラインを走査し、レーザーが１０個しかないときは、１フレーム当たり全部で１０８本のラインを走査する。したがって、多数のレーザーの使用により、用いられるレーザーの数に略比例する画像明度を上げることができ、同時に、走査システムの応答速度を低下させる効果も得られる。

高品質画像を生成するべく、垂直方向ビーム指示精度を閾値内で制御する。多数のスクリーンセグメントを走査するべく多数の走査ビームを用いる場合、垂直方向に隣接する二つのスクリーンセグメントに対してオーバラップがあれば画質が著しく低下し得るので、そのようなオーバラップをなくし、あるいは最小化するよう垂直方向ビーム指示精度を制御すべきである。実施例において、垂直方向指ビーム指示精度は、１水平ラインの幅に収まる精度であるべきである。

このような隣接する二つのスクリーンセグメント間における対応関係ずれ（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を、信号変調制御器３２０によりレーザービーム３１２を変調することによりデジタル的に修正することができる。スクリーンの各セグメントを当該セグメントでの表示に実際に必要とされるよりも多い水平ライン（たとえば、４本の余分ライン）を生成することができる走査エンジンにより駆動することができる。各スクリーンセグメントのセグメント画像の上下において同数の、対応関係が完璧である状態においては余分となる（使用されない）ラインが含まれるようシステムによるビーム走査を構成することができる。垂直方向の対応関係ずれが存在する場合に、信号変調制御器３２０の制御系電子機器は通常のラインの代わりにこれらの余分ラインを用いることにより、セグメント画像を上方または下方へとずらすことができる。たとえば、画像を上方へと１ライン分動かす必要がある場合、正常画像の上方にある余分ラインの１本を用い、下方の余分の未使用ラインの１本を加えることにより、制御器３２０は各ラインを上方の先行ラインへと移動させるべく動作する。システムの起動時または通常の稼動時にこの調整が自動的に行われることが望まれる場合、リアルタイムでフィードバックを与えるための光センサーを用いることができる。この光センサーは、制御すべきセグメントの観察可能領域のいずれかの側に設置される位置検知フォトダイオードであってよい。必要に応じて、ラインがこのセンサーをオーバースキャンする。または、走査中の観察可能部分において光ビームスプリッタを用いてフィードバックを与えてよい。異なるスクリーンセグメントについての垂直方向対応関係用の上記方法の利点の１つは、電子的調整は正しく実施されれば光を正確に対応させることに比べて実施が容易でありシステムコストを低減することができるので、光を正確に対応させる要件を緩和することができること、または光を対応させる方途を単純化することができることである。

上記の方法では、垂直方向に沿って１ライン分の解像度単位での調整だけが可能である。垂直方向に沿って副ライン（副画素）での調整を行うには、励起ビームを走査するための走査エンジンを僅かに回転させればよい。これにより、僅かに傾斜した水平走査ラインが生成される。隣接するスクリーンセグメントにおいては、走査エンジンを反対方向へと僅かに回転させる。この条件下において、真っ直ぐな水平線が生成されるには、回転量に従って少なくとも２本の走査ラインのそれぞれの一部が使用される。これにより、隣接する二つのスクリーンセグメント間の接合部がより目立たなくなる。

図５Ａと図５Ｂにおいて、図３と図４の設計に基づいて複数の走査ビームを生成するレーザー５２０のアレイ３１０を用いた走査ビーム型表示システム用のレーザーモジュール５００の例を示す。レーザーモジュール５００にはベース５１０が含まれ、その上部にはその他の部材が所定の固定位置に搭載される。ベース５０１の一端に、レーザーモジュール５００の光源としてレーザータワー５１０が搭載される。多数のレーザービームを生成し、所望の表示明度を得るべく全体として十分な量のレーザー出力を蛍光スクリーン１０１に送るレーザーアレイ３１０の複数のレーザー５２０を保持するレーザーアレイ搭載ラック５１２がレーザータワー５１０には含まれる。レーザータワー５１０は、レーザータワー５１０の一部を覆って、レーザーアレイ搭載ラック５１２とレーザービームの光路の一部を収める部分的筐体を形成するレーザータワーケース５１４を有する。

レーザーアレイ搭載ラック５１２は、ベース５０１の上方において、レーザー５２０をそれぞれ垂直方向の異なる位置に、また異なる水平位置に保持する構造を有する。図示するように、ベース５０１に平行な面における二つの互いに直交する方向のそれぞれに沿って空間的に互いからずらされた、異なる縦型アレイ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｒｒａｙ）にレーザー５２０を保持することができる。たとえば、図５Ａに一つの縦型レーザーアレイ５２１を示し、図５Ｂに二つの隣接し、位置がずらされた縦型レーザーアレイ５２１と５２２を示す。各縦型アレイにおけるレーザー５２０は、レーザーアレイ搭載ラック５１２の設計により、レーザービームが扇形を構成してベース５０１上のガルボミラーマウント５３０に搭載されたガルボミラー３４０を指向する収束光となるよう各レーザービームを方向付ける配向となっている。ガルボミラーマウント５３０には、ガルボミラー３５０を動作させ、制御するドライバ回路を含めることができる。

図５Ｂにおいて、図５Ａに示す方向Ｂ−Ｂに沿ったレーザーモジュール５００の鳥瞰図を示す。レーザービームのビーム経路として折り返しのある経路を用いることによりレーザーモジュール５００を小型にする。特に、レーザー５２０はレーザービーム方向に沿って空間的にずらして配置されて三次元アレイを形成し、ガルボミラー３４０へと方向付けられる円錐形状をかたどる収束レーザービームを生成する。ずらし配置により、隣接する二つの縦型アレイ、たとえば縦型アレイ５２１と５２２が空間的に互いに接近できるようになり、アレイ間の間隔は、共通平面に置かれた場合の二つのレーザー間の間隔よりも小さくなる。二つの縦型アレイ５２１と５２２は、ガルボミラー３４０とポリゴンスキャナ３５０を含む走査モジュールからそれぞれ異なる距離となるよう、空間的にずらされている。図３に示すように、収束レーザービームは、中継光学モジュール３３０を介して方向付けられ、ガルボミラー３４０に到達する前に、密に詰まったビームの束へと変換される。ガルボミラー３４０は密に詰まったビームの束を走査し、ポリゴンスキャナ３５０へと反射させる。ベース５０１上のポリゴンマウント５２０は、ポリゴンスキャナ３５０を保持すべく設けられており、ポリゴンスキャナ３５０を回転させるモータ、電源、及びポリゴン制御回路を含む。ベース５０１上のレンズマウント５５０は、ポリゴンスキャナ３５０からの走査レーザービームを受光する走査レンズアセンブリ５４０を保持し、受光した走査ビームをスクリーンへと投射するべく用いられる。

以下の項においては、レーザーモジュール５００に含まれる多様な光学コンポーネントの実施例と詳細を記載する。

レーザーアレイ搭載ラック５１２は、各レーザービームが中継光学モジュール３３０とガルボミラー３４０に向けて適切な方向へと方向付けられるよう各レーザー５２０がそれぞれの位置と配向に保持されるべく設計することができる。レーザーアレイ搭載ラック５１２へのレーザーの搭載はおおよそであり、レーザーアレイ搭載ラック５１２の加工時のバラツキや許容誤差、構造の老朽化、熱変動、及びその他の要因に一部起因して、各レーザー５２０が所望の光学的配置から逸脱する可能性がある。レーザーモジュール５００には、各レーザービームの方向を制御して、最適動作へと各ビームを光学的に割り当てる一以上のメカニズムを含めることができる。

図６において、レーザービーム方向を制御するレーザーアクチュエータを備える各レーザー５２０の例を示す。レーザー５２０には、レーザーダイオードもしくは半導体型レーザー６１０、レーザーダイオード６１０に対して固定されたレーザーコリメータ６３０、及びレーザーダイオード６１０とレーザーコリメータ６３０のアセンブリに連係したレーザー位置アクチュエータ６４０が含まれる。レーザーダイオード６１０は、被変調ドライバ電流を受け取るべくレーザードライバ回路に接続された導体リード６２０を有しており、それによりレーザービームを生成して画像データを載せるべく変調する。レーザー保持部材６０１は、上記の部材を保持し、レーザー５２０をレーザーアレイ搭載ラック５１２に搭載するベースとして用いられる。本設計におけるレーザーダイオード６１０とレーザーコリメータ６３０は一体のアセンブリとして互いに固定されているので、レーザー位置アクチュエータ６４０を用いて、レーザーダイオード６１０とレーザーコリメータ６３０との相対位置もしくは相対配向を変化させることなく、レーザーダイオード６１０とレーザーコリメータ６３０のアセンブリのレーザー保持部材６０１に対する配向を傾斜させることができる。レーザーダイオード６１０とレーザーコリメータ６３０のアセンブリは、単一軸、たとえば、ガルボミラー３４０の水平回転軸に平行な水平軸に沿って傾斜させることができる。本レーザー位置アクチュエータ６４０は、圧電材料を用いたフレクシャアクチュエータであってよく、各レーザービームのスクリーン上での垂直方向ビーム位置を高精度に制御するべく用いることができる。

図７、図８、及び図９において、ビーム指示を制御する他の設計を示す。各設計においては、ポリゴンの近傍においてガルボミラーを用いて垂直方向ビーム走査を制御する一方で、レーザーにてビーム指示を制御するためのビーム制御アクチュエータが含まれる。本ビーム制御アクチュエータの実施および図６において上記した制御により、各レーザーによる静的かつ動的なビーム指示をソフトウェアにより制御できる。

図７において、ダイオードレーザー等のレーザー７１０を用いて、ＵＶもしくは紫色光の波長を有してよい走査レーザービームを生成する。コリメータレンズ７２０をレーザーダイオード７１０の前部においてレンズ位置アクチュエータ７３０に搭載してレーザー光を平行線にするために用いる。レンズ位置アクチュエータ７３０を動作させることにより、レーザーダイオード７１０とコリメータレンズ７２０のアセンブリを単体としてレーザービームに対して直交する方向に移動させてレーザービームの垂直方向における指示を変化させるべく当該アセンブリを傾斜させることができる。レンズ位置アクチュエータ８３０によるこの垂直方向調整により、スクリーン上においてレーザービームが垂直方向に変位する。スクリーン上において一水平走査ラインの幅よりもずっと小さい解像度分の垂直方向変位を実現するように位置アクチュエータ７３０を設計・制御する。

レンズ位置アクチュエータ７３０を多様な構成により実施してよい。たとえば、ＤＶＤドライブの光ピックアップユニットに使用されるレンズアクチュエータに類似したレンズ位置アクチュエータを用いてよい。このようなレンズアクチュエータは、たとえばフォーカスアクチュエータと一体型のレーザーダイオードとを含んでよく、低コストにて大量生産することができる。ＤＶＤレンズアクチュエータは小型であり、当該アクチュエータの動的応答は本願の表示システムの垂直方向調整に適している。約１ｍｍの変位を実現できるレンズアクチュエータもある。ポリゴンスキャナ３５０の各ポリゴン面上に設定されたピボット軸を中心としてレーザービームが傾斜するように制御してポリゴン面上でのビームの変位をなくす、もしくは最小化してよい。

図８は、別の実施例を示しており、ここでは、レンズ回転アクチュエータ８１０をレーザーダイオード７１０とコリメータレンズ７２０に連係させて、レーザー７１０とコリメータレンズ７２０との相対位置を変化させることなくレーザービームを傾斜させる。レーザー７１０とコリメータレンズ７２０の両方を備えたコリメータ機能追加レーザーダイオードアセンブリによる傾斜付け又は回転により、スクリーン上の垂直方向のビーム指示が変化し、スクリーン上で垂直方向変位が生じる。スクリーン上で一水平走査ラインの幅よりもずっと小さい解像度分の垂直方向変位が生じるようにレンズ回転アクチュエータ８２０を設計・制御する。フレクシャ、玉軸受け、宝石軸受け等の多様な軸受け設計を用いてレーザーアセンブリを傾斜もしくは回転させてよい。また、音声コイルモータ、ニチノール線（Ｎｉｔｉｎｏｌ ｗｉｒｅ）アクチュエータ、圧電アクチュエータ、電力制限（ｅｌｅｃｔｒｏ‐ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅ）アクチュエータ、及びその他の電気機械アクチュエータと電磁アクチュエータ等の多様なアクチュエータ技術を用いてもよい。この設計によるビームの集束は実質的に固定され、垂直方向変位アクチュエータによる影響を受けない。ポリゴンの面上に設定されたピボット軸を中心としてレーザービームが傾斜するように制御してポリゴンの面上でのビームの変位をなくす、もしくは最小化してよい。

球面軸受け８２２を用いてスクリーン上の垂直方向ビーム指示を変化させてよい。レーザーダイオード７１０とコリメータレンズ７２０のアセンブリ全体を球面軸受け８２２に可動に連係し、アクチュエータ８２０を動作させて当該アセンブリを球面軸受け８２２に沿って移動させる。球面軸受け８２２をその半径がレーザーダイオード７１０とコリメータレンズ７２０のアセンブリからポリゴンの面までの距離と等しくなるよう設計することができ、それによりポリゴンの面の周囲を回転することになる。その他の機構（たとえば、リンケージ）を用いて球面軸受けの動作経路を模倣してよい。

図９において、レンズ位置アクチュエータ９１０をコリメータレンズ７２０に連係させて、レーザービームに直交する経路に沿ってコリメータレンズの位置をレーザーダイオード７１０に対して移動させる設計を更に示す。この制御を用いて、スクリーン上の垂直方向に沿ったレーザービームの対応関係とビーム位置を制御することができる。

多数のレーザーによる同時走査の実施における技術的課題の一つは、多数のレーザーを互いに空間的に近接して搭載して、二つの異なるレーザーからの同時走査レーザービームによりスクリーン上に生成される隣接した二つの水平ラインが１画素分だけ離間するようにすることである。レーザーダイオードとコリメータレンズを含む各レーザーのトランスバースディメンションにより、大きいレーザーのアレイを二次元アレイとして配置した場合、隣接する二つのレーザーの間隔がスクリーン上の１画素の寸法より大きく、フットプリントが大きいレーザービーム束が生成される。隣接するレーザービームの間隔を狭め、レーザーアレイの寸法を小さくするべく、図５Ａと図５Ｂの例に示すようにレーザーを三次元アレイ状にずらし配置することができる。しかし、このようなずらし配置の三次元レーザーアレイにおいても、スクリーン上で隣接するビーム間に１画素分のビーム間隔を実現するのはやはり困難である。この技術的課題を解決する一方法は、隣接する二つのビーム間の垂直方向の間隔がスクリーン１０１上の１画素に等しくなるよう制御すべく中継光学モジュール３３０を設計することである。

図１０において、図３の中継光学モジュール３３０としてのアフォーカルリレー１００１の例を示す。アフォーカルリレー１００１は、図３のレーザーアレイ３１０のレーザーからのレーザービーム３１２の光路に設置される。レーザーアレイ３１０の各レーザーは、図６のレーザーダイオード６１０とレーザーコリメータ６３０、及び図７乃至図９のレーザーダイオード７１０とコリメータレンズ７２０等の、レーザーダイオードとレーザーコリメータレンズの組み合わせとして実施してよい。アフォーカルリレー１００１には、三つの光学的に正のレンズが含まれ、それらは、焦点距離がｆ１の第一レンズ１０１０（Ｌ１）、焦点距離がｆ２の第二レンズ１０２０（Ｌ２）、及び焦点距離がｆ３の第三レンズ１０３０（Ｌ３）である。第一レンズ１０１０は、開口が大きくビーム間間隔が大きいビーム３１２を受光し、自身の焦点距離ｆ１に等しい、もしくはそれに近い間隔だけ視野レンズである第二レンズ１０２０から離間した収束レンズである。第二レンズ１０２０の焦点距離ｆ２は、第一レンズ１０１０の焦点距離ｆ１より短い。

動作時に、第一レンズ１０１０は受光したビーム３１２を第二レンズ１０２０に集束させ、第一レンズ１０１０と第二レンズ１０２０は協同して各ビームのビーム大きさとビーム間の角度間隔とを減少させる。各ビームのビーム断面とビーム間間隔がアフォーカルリレー１００１の出力部において所望の通りに減少しているように焦点距離ｆ１とｆ２を選択する。第三レンズ１０３０の焦点距離ｆ３は、焦点距離ｆ２より大きく、第三レンズ１０３０は自身の焦点距離ｆ３だけ第二レンズ１０２０から離間している。この設計の下で、第三レンズ１０３０は、第二レンズ１０２０からの発散ビームを平行にし、出射瞳、つまり出力したビームが互いに完全に重なる平面、の位置を制御する。本システムにおいては、出射瞳はガルボミラー３４０に存在するよう設計する。例として、レーザーアレイ３１０に用いられるレーザーコリメータ７２０又は６３０の所定数のセットについて、アフォーカルリレー１００１の三つのレンズ１０１０、１０２０、及び１０３０の焦点距離を、それぞれ１００ｍｍ、５．１２８ｍｍ、及び２００ｍｍとすることができる。この特定的設計の下で、アフォーカルリレー１００１全体の倍率は２であり、第三レンズ１０３０を出る各出力ビームの径が第一レンズ１０１０が受光した各入力ビームの径の二倍となる。あるいは、アフォーカルリレー１００１は、たとえば倍率１：１等、１：２とは異なる倍率を有するよう構成することができる。

図１０において、現在ビームをスクリーン１０１へと反射しているポリゴンの面へとガルボミラー３４０の反射面の面を結像するための、ガルボミラー３４０とポリゴンスキャナ３５０との間の光路にある第二アフォーカルリレー１００２を更に示す。この結像作用により、ガルボミラー３４０はポリゴンの現在の反射面に効果的に一致し、次に当該反射面は走査レンズ３４０の入射瞳と一致する。したがって、走査レンズ３４０の入射瞳は、走査レンズ３６０へと方向付けられた走査ビームのピボット中心である。走査レンズ３６０の性能は、入力ビームが単一の入射瞳を中心にピボットするとき最良となり、したがって、ガルボミラー２４０の垂直方向の角度が異なる、連続した水平走査ライン間に単一入射瞳でなければ生じるであろう光学的ひずみが小さくなる。第二アフォーカルリレー１００２は、異なる結像レンズシステムにより実施することができ、たとえば図示のように倍率が１の４ｆ結像構成において二つのレンズ１０４１（Ｌ４）と１０４２（Ｌ５）を含めてよい。

走査レンズ３６０は、レーザー５２０をスクリーン１０１に結像するよう設計される。一実施例においては、走査レンズ３６０は、走査レンズの光学軸に直交する二つの互いに直交する軸のそれぞれを中心として入力ビームによる走査を行う場合、スクリーン上の焦点位置と入力走査角度（θ）との間に線形の関係を有するよう設計された二次元ｆ−θレンズとすることができる。このような走査レンズは、スクリーン上の焦点位置が入力走査角度（θ）のタンジェント関数である従来の結像レンズとは異なる。あるｆ−θレンズのいくつかの技術的特徴については、たとえば米国特許第４，４０１，３６２号、及びＷａｒｒｅｎ Ｊ．Ｓｍｉｔｈによる「Ｍｏｄｅｒｎ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ」の第２２章（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、１９９２年）において見受けられる。

図１１において、走査レンズ３６０用の二次元ｆ−θレンズの一設計例を示す。この例において、走査レンズは、三つのレンズ素子、レンズ１、レンズ２、及びレンズ３を有する。表１に図１１の二次元走査レンズの三つのレンズ素子のパラメータについての指定値を示す。

図１０のアフォーカルリレー１００１において、収束レンズである第一レンズ１０１０は、レーザーアレイからの大きいビーム束に対応した大きい開口を有する単レンズである。このような大きい収束レンズ１０１０は高額となり得、システムのコストを増大させる可能性がある。図１２において、単レンズである第一レンズ１０１０を小さい収束レンズ１２１０のアレイに置き換え、これらの収束レンズ１２１０をそれぞれ異なる方向に傾斜させてレーザーからのそれぞれ異なる入力レーザービームを受光するようにし、小レンズ１２１０が出力する屈折ビームが単レンズ１０１０により生成される屈折ビームの経路を進むようにした別の実施例を示す。各レーザーには、レーザーダイオード１１０１とレーザーコリメータレンズ１２０２が含まれる。したがって、アフォーカルリレー１００１の設計、たとえばアフォーカルリレー１００１の倍率は、レーザーコリメータレンズ１２０２の設計パラメータにより変更することができる。各小収束レンズ１１１０は、単一のビームだけを受光して集束させるので、小収束レンズ１１１０の開口は単レンズ１０１０におけるよりずっと小さくすることができる。また、小収束レンズ１０１０は、それぞれの入力レーザービームをレンズの中心で受光するように配列することができ、小収束レンズ１２１０上のレンズ中心から拡散したそれぞれの入射位置においてビーム入射角度がそれぞれ異なることにより生じるレンズひずみが、それぞれのビームを受光するのに単レンズ１０１０を用いる場合に比べて問題でなくなる。したがって、レンズ１２１０としては小さい開口を有する比較的廉価なレンズで十分である。

表２に、図１２のアフォーカルリレー１００１の特定の設計例を示す。この例において、アフォーカル１００１は、１：２のアフォーカルシステムである。それぞれのレンズ１２１０は、二つの面（第一面と第二面）を有する単レンズであり、レンズ１０２０は二つのレンズを備えて四つのレンズ面（第一面、第二面、第三面、及び第四面）を有し、レンズ１０３０は二つのレンズ面（第一面と第二面）を有する単レンズである。

その他の実施例においては、各レーザーコリメータレンズ１２０１の各入力レーザービームに対するコリメート機能と各小収束レンズ１１０１の収束機能とを単一のレンズユニットに統合して、各レーザーからの入力ビームに対して二つの別個のレンズ１２０１と１２１０とを用意する必要を排除してよい。たとえば、単一のレンズユニットを各レーザーダイオード１２０１の前に設置して図１２のレーザーコリメータレンズ１２１０と各レンズ１２１０の代替とすることができる。この単一のレンズユニットは、各レーザーダイオード１２０１を視野レンズ１０２０（Ｌ２）から等距離に設置する場合、レーザーダイオード１２０１のそれぞれについて同一のものとすることができる。二つのレーザーダイオード１２０１を視野レンズ１０２０（Ｌ２）から異なる位置に設置して異なるビームの出射瞳がレンズ１０２０（Ｌ２）とレンズ１０３０（Ｌ３）により共通平面、つまりガルボミラー３４０に設定されるよう二つのレーザーダイオード１２０１用の二つの単一レンズユニットを異なるものとすることができる。

図１２の複数の傾斜した小レンズ１２１０を備えたレンズアレイ設計においては、各小レンズ１２１０を焦点補正を行うべく軸方向に調節し、視野レンズ１０２０（Ｌ２）に入射する各レーザービームを傾斜させるべく横方向に調節するために各小レンズ１２１０をレンズアクチュエータに連係してよい。レーザーコリメータレンズ１２０２とレンズ１２１０を各レーザーダイオード１２０１の前で単一のレンズユニットに統合する実施例においても、単一のレンズユニットをビーム焦点を制御するべく軸方向に、ビーム傾斜を制御するべく横方向に調節するためにレンズアクチュエータを用いてよい。

図１３において、図１０に示す１：１アフォーカルリレー１００２の一特定設計例を更に示す。この例において、レンズ１０４１（Ｌ４）は三つのレンズを備えて六つのレンズ面を有し、レンズ１０４２（Ｌ５）も三つのレンズを備えて六つのレンズ面を有する。表３にこの設計の典型的なレンズパラメータを挙げる。

図３、図５Ａ、図５Ｂ、及び図１０を参照して、二以上のレンズを含めてよい走査レンズ３６０には、走査レンズ３６０の入射部における入射角度と入射位置により変化する光学的ひずみを元来有している可能性がある。走査光は、たとえばポリゴンスキャナ等の水平スキャナにより水平方向に沿って、かつ、たとえばガルボミラー等の垂直スキャナにより垂直方向に沿って走査される。走査レンズ３６０の光学的ひずみにより、スクリーン１０１上のビーム位置が真っ直ぐな水平走査ラインでなく曲がったラインを描く可能性がある。これは、水平弓形歪み（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｂｏｗ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）と称されることが多い。同様に、走査レンズ３６０の光学的ひずみにより、理想的には真っ直ぐな垂直ラインを描くスクリーン１０１上のビーム位置が曲がった垂直ラインを描く可能性がある。結像レンズアセンブリの光学的ひずみにおけるこの部分は、垂直弓形歪み（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｂｏｗ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）として知られる。

特に、走査レンズ３６０は、二次元ｆ−θレンズとして実施した場合でさえも、ガルボミラー３４０とポリゴンスキャナ３５０による二つの互いに直交する軸における二方向のミラー走査により形成される合成角により歪んだ画像を生成する可能性がある。走査レンズ３６０により生じる歪みは水平方向と垂直方向の両方に存在する。このような歪みにより表示された画像は劣化し、望ましくない。

図１４において、走査光学モジュール（たとえば、ポリゴン３５０とガルボミラー３４０）とスクリーン１０１との間の光路に設置される二次元ｆ−θ走査レンズによる垂直弓形歪みと水平弓形歪みの例を示す。図示するように、走査レンズへの光の入射角度が大きくなるにしたがい、各方向における弓形歪みは、スクリーンの中央からスクリーンの縁に向けて大きくなる。

弓形歪みの問題に対する対策の一つは、歪みを許容可能な範囲までに小さくするように走査レンズを設計することである。この光学的方法においては、多数のレンズ素子を含む複雑なレンズアセンブリ構成が必要となる場合がある。複雑な多数のレンズ素子により最終段のレンズアセンブリが望ましいｆ−θ条件からはずれて光走査性能を低下させ得る。アセンブリにおけるレンズ素子の個数は、通常、歪みに対する許容誤差が小さいほど増える。したがって、両方向において許容範囲の弓形歪みを有するレンズアセンブリには、複雑な幾何学的形状の多数のレンズ素子を含めてよい。弓形歪みは両方向に存在するので、レンズ素子は両方向において正しく整形しなければならない。複数のレンズが存在し、各レンズが複雑な形状を有するので、複雑な多数のレンズ素子を有するこのような走査レンズは製造が高額となり得る。

図１５において、蛍光スクリーン上で測定した画像画素位置のマップ例を示す。走査レンズアセンブリにより生じる垂直弓形歪みと水平弓形歪みの作用を測定することができる。所与の走査レンズアセンブリの垂直弓形歪みと水平弓形歪みは、実質的に固定的であり測定することができる。

弓形歪みを縮小するべく走査レンズに複雑な多数レンズ設計を用いる制約を念頭に置きつつ、デジタル的もしくは電子的な歪み補正技術を以下に記載する。本技術によると、走査レンズの弓形歪みの測定値に基づき、走査ビームに変調する画像信号をデジタル処理によりもしくは電子的に歪ませ、画像をスクリーンに表示するときに走査レンズの弓形歪みを打ち消す。

走査レンズの垂直弓形歪みのデジタル補正は、各水平方向走査の最中に走査ビームにおける各レーザーパルスのタイミングを制御することにより得られる。これは、レーザーパルスのスクリーン１０１上の水平方向位置は、各水平方向走査の最中の当該レーザーパルスのタイミングにより制御することができるからである。パルスのタイミングが遅延していれば、レーザーパルスのスクリーン上の対応位置が水平走査方向に沿って空間的に下方にずれる可能性がある。反対に、パルスのタイミングの進みによりレーザーパルスのスクリーン上の対応位置が水平走査方向に沿って空間的に上方にずれる可能性がある。水平方向におけるレーザーパルスのスクリーン上の位置は、走査ビームにおける光パルスのタイミングを制御することにより電子的に、もしくはデジタル処理により制御することができる。特に、垂直弓形歪みは、水平方向における画素位置のずれとして扱うことができる。したがって、走査レンズの垂直弓形歪みにより生じるビームの水平方向変位が小さくなる、あるいは打ち消される位置へと各光パルスが方向付けられるよう、走査ビームにおけるパルスのタイミングを制御することができる。

水平弓形歪みは、別のデジタル制御により補正することができる。図１５の例に示すように、所与の走査システムについて、スクリーン上の画像歪みマップを測定することができる。この測定画像歪みマップのデータは、デジタルプロセッサのメモリ、あるいはレーザーモジュール１１０内の信号変調制御器の走査エンジンに記憶することができる。この測定した画像歪みのマップを用いて画像ワーピングを算出するようデジタル処理をプログラムすることができる。歪みなしの理想的な走査レンズについて生成した入力画像データを、算出した画像ワーピングに基づいて、予め歪んだ画像データとなるよう本来の画素位置と異なる画素位置に再マッピングして、再マッピングした画像データを表示するべく読み出したときに、画素輝度がスクリーン上の正しい位置に現れるようにする。この画素毎の画像データの再マッピングは、多様な画像ワーピング技術により行うことができ、たとえばスクリーン上に最小限の可視ノイズが生成されるようにライン間に線形輝度補間を用いることにより行うことができる。画素再マッピングは水平弓形歪みを補正するのに効果を発揮し得る。

上記のデジタル補正法により、本質的に、走査レンズ３６０により生じるひずみを含む走査システムの光学的ひずみを無効にする、スクリーン上の歪み画像を表わす新たな画像データが生成される。その後、レーザービームをこの補正画像データで変調してスクリーンに画像を表示する。補正画像データに作り込まれた歪みにより、スクリーン上の最終画像における光学的ひずみは除去あるいは最小化される。

図３、図５Ａ、図５Ｂ、及び図１０に基づく走査ビーム型表示システムは、レーザーモジュール１１０とスクリーン１０１との間の物理的間隔が狭まるようレーザーモジュール１１０から蛍光スクリーン１０１へと走査ビームを導く折り返し光路を用いて実施することができる。図１６Ａと図１６Ｂにおいて、背面投射型構成においてレーザーモジュール１１０からの出力走査レーザービームを蛍光スクリーン１０１へと導く折り返し光学設計を二つ示す。折り返し光路に沿って走査ビームをスクリーン１０１へと導くべく少なくとも二つの反射器１６１０と１６２０を用いる。反射器１６１０と１６２０は、多様な形状・構成とすることができる。このような折り返し設計により走査型表示システムの物理寸法が減少する。一実施例において、反射器１６１０と１６２０の少なくとも一方に湾曲した面を持たせて所定量の屈折力を持たせてよい。たとえば、反射器１６１０と１６２０の屈折力は、走査レンズ３６０からスクリーン１０１までの光路長が減少するよう走査レンズ３６０の屈折力と関連付けて選択することができる。

本願に記載する走査ビーム型表示システムにおいては、入射する走査励起ビーム１２０がスクリーン１０１の法線となるよう再度方向付けるべく、スクリーン１０１の前にフレネルレンズ等のテレセントリックな種類のレンズを用いることができる。この特性を用いてスクリーンの明度を強化することができる。

図３において、ビーム走査は、垂直方向走査用のガルボミラー３４０を用いて励起ビームをポリゴンスキャナ３５０へと方向付け、次にポリゴンスキャナ３５０が励起ビームをスクリーン１０１へと方向付けることにより行う。または、ポリゴンスキャナ３５０を用いてガルボミラー３５０を励起ビームで走査し、次にガルボミラーがビームをスクリーン１０１に方向付けることもできる。図１７Ａと図１７Ｂにおいて、ポリゴンスキャナ３５０とガルボミラー３４０の順序が図３における順序と反対にされたこのような走査ビーム型表示システムを二例示す。図１７Ｂの表示装置においては、Ｎ個の音響光学変調器１７１０を用いてレーザーアレイ３１０からのＮ本のＣＷ励起レーザービーム３１２をそれぞれ変調し、画像データを搬送する被変調レーザービーム３３２を生成する。その他の光変調器を用いて音響光学変調器１７１０の代替としてよい。

上記の例において、レーザー励起ビームによる走査は、一つの方向（たとえば、垂直方向）の走査においてはガルボミラーを用い、もう一つの方向（たとえば、水平方向）においては回転ポリゴンミラーを用いることにより行う。ビーム走査のためにガルボミラーとポリゴンミラーを組み合わせる代替として、ホログラフィックビームスキャナを用いて表示のための二つの走査方向のうち少なくとも一つにおいてレーザービーム走査を行ってよい。たとえば、ホログラフィックビームスキャナを用いてＵＶレーザー励起ビームによりリン光体スクリーン１０１を走査し、ＵＶレーザー光を吸収したリン光体スクリーン１０１により所望の色と画像を生成してよい。この用途に適したホログラフィックスキャナは、多様な構成であってよい。一設計においては、たとえば、ホログラフィックスキャナには、ホログラムパターンを記録し、走査実行のために入射ビームを偏向させるべく回転させるホログラフィックディスクを含めてよい。ポリゴンスキャナの代替としてのホログラフィックディスクを用いたスキャナの例は多様な文献に記載されており、たとえば、Ｄａｖｉｄ Ｍ．Ｒｏｗｅによる「ホログラフィックに基づくスキャナ設計の発展」と題される記事、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３１３１のｐ．５２−５８、Ｌｅｏ Ｂｅｉｓｅｒ、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｆ．Ｓａｇａｎ編集（１９９７）による光走査システム：設計と応用が挙げられる。この記事を本願の明細書の一部として参照により取り込むものとする。Ｃｌａｙに発行された米国特許第４，９２３，２６２号、発明の名称「回転偏向器ホログラムを有するスキャナシステム」、及びＣｌａｙとＲｏｗｅに発行された米国特許第５，１８２，６５９号、発明の名称「ホログラフィック記録・走査システム及び方法」において、ホログラフィックディスクを用いたホログラフィックスキャナの特定例が記載されており、これら特許を本願の明細書の一部として参照により取り込むものとする。

本願に記載する走査ビーム型表示システムの一側面によると、所与の励起波長、たとえば紫あるいはＵＶスペクトル範囲の波長を有する一以上の走査励起ビームを用いる。励起光は、蛍光スクリーン１０１へと連なるこのような表示システムの光学系の列に存在する唯一つの光である。励起光の一部を可視色へと変換する蛍光スクリーン１０１においてのみ可視色は生成される。したがって、蛍光スクリーン１０１に達するまでは、このような表示システムの光学系の列において、光は単色である。ホログラフィック素子は分散性であるとして知られ、通常、単一波長で動作することができる。したがって、異なる色の光ビームを走査する他のフルカラー表示システムとは異なり、本願に記載の走査ビーム型表示システムにおいては、単一励起波長の単一あるいは複数の励起ビームにより蛍光スクリーン１０１を走査する。少なくともこの理由により、その他のフルカラー表示システムには適さないホログラフィックスキャナを一以上の励起ビームによる走査を行うのに十分に用いることができる。

ホログラフィックスキャナを用いることにより走査用途において多様な利点を得ることができる。たとえば、名目入力角と回折角（ｎｏｍｉｎａｌ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ ａｎｇｌｅｓ）が等しくなるブラッグ領域（Ｂｒａｇｇ ｒｅｇｉｍｅ）においてホログラフィック偏向器を動作させる場合、モータ軸の揺れに対する感応性を著しく、たとえば１０００超分の１へと減少させることができる。この特性によりスキャナの光学的設計を簡易化することができる。ポリゴンスキャナに比較して、ホログラフィックディスクスキャナは、走査ディスクの空気力学的特性によりスキャナ風圧面（ｓｃａｎｎｅｒ ｗｉｎｄａｇｅ）を小さくできるので、ポリゴンスキャナよりも速い走査速度で動作させることができる。ホログラフィックディスクスキャナは光を透過させることができるので、反射面で光を反射させるポリゴンスキャナに比べてモータ走査ジッタに対する感応性が小さい。この特性により、ポリゴンスキャナに一般的に用いられる比較的高価で大きい空気軸受けモータの代わりに比較的廉価な玉軸受けモータを用いることが可能となる。これら及びその他の利点により、いくつかの用途においてはホログラフィックスキャナはポリゴンスキャナよりも有利である。分散性に起因する一般的に知られたホログラフィックスキャナの制約は、ホログラフィックスキャナが単色レーザー型装置における単一波長での使用に限られることである。しかし、励起光が選択した波長の単色を有する本走査ビーム型表示システムにおいては、この制約は問題とはならない。

図１８Ａと図１８Ｂにおいて、米国特許第４，９２３，２６２号に記載される典型的ホログラフィックディスクスキャナ１０を示す。このスキャナは、入力ビーム１６の入射条件が適切な状態においてホログラフィックディスクスキャナ１０がその軸を中心として方向１１に回転したときにスクリーン２０上に線形走査ライン３０を生成するよう設計される。ｐとｓ両方の直線偏光を高効率とするようホログラムを構成するには、約２３度の入射角を用いる。たとえば、２度内のレンジを有する２３度の角度においては、ｐ曲線とｓ曲線は実質的に等しく、それらの最大効率に近いことを示すＡｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓの１９７７年１０月発行号（１６巻、１０号）の２７１７頁の図３２を参照されたい。しかし、２３度の入射角に最適化された格子定数を有する線形格子は著しく弓形湾曲した走査ラインを生成し、大抵の走査用途には適さない。ホログラムは線形格子ではないので約２３度の入射角を用いることができ、システム要件に従った形状の縁部領域（ｆｒｉｎｇｅ ｆｉｅｌｄ）を用いてライン弓形を補正する。たとえば、自身にレンズ特性を与えるような縁部形状と空間分布のホログラムディスクセグメントを記憶することによりライン弓形補正を行うことができる。そのようなセグメントを多数ディスクに記憶し入射ビームを集束させれば、ディスクの回転により各セグメントからの集束スポットが、焦点面において円弧のスポット軌跡を生成する。焦点面における走査の軌跡は、円弧を通るであろう。

図１８Ａの設計において、ホログラフ的に記録したディスク１０は、ホログラフ的に記録した当該レンズが樽型歪を有するレンズとして挙動するのであれば、半径２６が変化しないようにその中心を光軸から変位させて、ラインセグメントの曲率を変化させることができる。ディスク１０に対するホログラム３４の幾何学的関係性を図１８Ａに示す。輪状線３６の縁部パターンを有するホログラム３４の中心３８は、ホログラム軸３２が直線経路をたどって走査軌跡４０へと方向付けられるように配置される。ディスク１０のホログラフィック記録構成を図１８Ｂに詳細に示すが、ここでディスク１０には多数のホログラフィックセグメント３４が記録されている。例として、ディスク１０はその周囲において８個のセグメント６０に８個のホログラム３４（そのうち３個だけを詳細に示す）を有し、セグメント６０においては、ライン３６が図２に示す点３８からの半径が大きいほど互いからの間隔を大きくしている。特定の用途における要請に従って形成するセグメント６０の数を増減してよい。

ディスク１０が樽型歪を有する設計である場合、ディスク１０により生成される曲率は、ディスクを回転させることにより生成される曲率から差し引かれる。ホログラフ的に記録したレンズがディスクを回転させることにより生じる曲率と同じ曲率を生成するような設計である場合、ラインは実質的に直線になる。ラインの曲率の程度は、所与の樽型歪を有するレンズへの光線高さにより直接的に変化する。したがって、ディスクの回転による曲率を打ち消すのに必要とされるライン曲率を得るべくレンズオフセットを調整する。

ホログラフィックディスク１０として形成したホログラムレンズには二つの顕著な特性があり、それらは第一に、当該レンズはラインの曲率を補正し、第二に、当該レンズは入射ビームを焦点面上の点に集束させるというものであり、したがって別個に集束レンズを設ける必要性を排除するべく当該レンズを用いてよい。しかし、このような構成においては収差が必ず生じるので、ホログラムレンズセグメントの第二の特性の実際上の有用性は限られている。いくつかの場合においては、特に回折限界分解能が必要とされない場合と小さい走査角度で十分である場合においては、ホログラムレンズセグメントを走査レンズの代替としてよい。高分解能用途および／または広角用途においては、ホログラムと補助的な走査レンズとの間で焦点能力を分配することにより第二の特性を活用するよう走査ディスク１０を設計することができる。

図１９において、図１８Ａと図１８Ｂに示すホログラフィックディスク１０を用いたスキャナシステムを示す。蛍光スクリーン１０１を励起するための励起レーザービーム等の平行ビーム７０が、ホログラム３４をセグメント６０に記録したディスク１０の外周部に衝突している様子を示す。ビーム７０は、ｐ直線偏光とｓ直線偏光との振幅が実質的に等しくなるような値の角度βでセグメント６０に衝突する様子が示されている。このような角度を用いることにより、偏光依存性からの脱却度が向上する。ビーム７０は走査レンズ７２を通過して屈折し、焦点面２０へと達する。走査レンズ７２がなければ、焦点は異なる位置７４に生じるであろう。

図２０、図２１、及び図２２において、図１９の設計に基づいたホログラフィックスキャナの例を三つ示す。図２０のスキャナには、ホログラフィックディスクスキャナ１０と多素子ｆ−θ走査レンズ３６０が含まれ、ｆ−θ走査レンズ３６０は自身の焦点面であるスクリーン１０１へと走査ビームを投射する。このシステムは、ポリゴンスキャナ３５０をホログラフィックディスクスキャナ１０で代替した図３に示す走査ビーム型表示システムに用いることができる。したがって、ガルボミラー３４０からのビームはホログラフィックディスクスキャナによりｆ−θレンズ３６０を介してスクリーン１０１へと方向付けられ、スクリーン１０１を走査する。

マルチエレメントｆ−θレンズ３６０は高価となり得る。図２１と図２２の設計は、より拡張性の少ない湾曲反射器を用いることによりｆ−θ走査レンズ３６０を排除し、かつ置き換えられたｆ−θ走査レンズ３６０の光集束能力を提供するべく意図される。図２１と図２２における湾曲ミラーは、ライン弓形補正、フィールド平坦化、線形性補正を含む一以上の機能を果たすよう構成することができる。湾曲ミラーにより、走査を光学的にテレセントリックにすることもできる。いくつかの実施例においては、湾曲反射面を非球面状もしくは円筒状とすることができる。特に、多くの多素子ｆ−θレンズ設計において反射面が四つ以上あるのと異なり、湾曲ミラーには単一の光反射面があるだけであり、コストが削減される。湾曲ミラーは多様なプロセスで製造することができる。たとえば、ガスアシスト／圧縮射出成形プロセスを用い、プラスチックコアを空にして、当該構造を金型内で凝固させ、圧縮によりプラスチック材に鏡面を形成することにより、堅固で軽量な構造を形成することができる。別の例では、射出成形と冷間成形の両方を用いて湾曲ミラーを形成することができ、ここでは湾曲ブランク基板を射出成形により形成し、次に冷間成形複製プロセスを用いて基板上に鏡面を形成する。湾曲ミラーの光学面は、アルミニウム基板、又はその他の基板材料をダイアモンド旋盤にかけることにより形成することができる。光反射面の品質を更に向上させるべく、従来の研磨した光学金型を用いて高品質な光学面をダイアモンド旋盤にかけたミラーブランクに形成することを目的として複製プロセスを用いることができる。この複製技術を用いることにより、光を回折させて焦点面に光学的ノイズを生成する望ましくないダイヤモンド旋盤跡を除去することができる。

図２２のホログラフィックスキャナ設計には、たとえば光源波長の変動に起因して走査ビームの光学波長が変化したことによるスクリーン１０１上でのビーム位置のずれと空間分解能の損失を受動的に補正するメカニズムが含まれる。この受動的補正は、ｆ−θレンズアセンブリを取り除き、それをホログラフィックスキャンディスク（偏向器）１０の前段に設置する前走査ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、走査ディスクの後段の湾曲ミラー、及び湾曲ミラーと焦点面つまりスクリーン１０１との間の後走査ＨＯＥで置き換えることにより行う。取り除いたｆ−θレンズの屈折力の損失を補償するべく、従前ｆ−θレンズにより与えられた屈折力を前走査ＨＯＥ、後走査ＨＯＥ、及び湾曲ミラーに組み込むことができる。米国第５，１８２，６５９号において、図２２の受動的補正メカニズムの更なる詳細が提供されている。

これら及びその他のホログラフィックスキャナを用いて本願に記載の走査ビーム型表示装置において走査を行うことができる。ホログラフィックスキャナは多様な構成の走査ビーム型表示装置において用いることができる。一実施例においては、ガルボミラーあるいは別のビーム走査装置を用いてスクリーンの「垂直」方向走査を行いつつ、本願に記載したいくつかの例におけるポリゴンビームスキャナの代用とするべくホログラフィックビームスキャナを用いてスクリーンの「水平」方向走査を行ってよい。別の実施例においては、二つの別個のホログラフィックスキャナを用いて水平方向ビーム走査と垂直方向ビーム走査をそれぞれ行う。更に別の実施例においては、水平方向にビーム走査を行うための第一ホログラムパターンと垂直方向にビーム走査を行うための第二ホログラムパターンとを単一の回転ホログラフィックディスクに記録することにより、単一のホログラフィックスキャナを用いて水平方向と垂直方向の二次元走査を行ってよい。

本願の明細書には多くの詳細を含めたが、これらをいずれの発明もしくは権利請求する事項の範囲をも制限するものと解釈すべきでなく、特定的実施形態に特有の特徴の記載であると解釈するべきである。本明細書において異なる実施形態のそれぞれの脈絡で記載された特定の特徴を単一実施形態において組み合わせて実施することもできる。反対に、単一実施形態の脈絡にて記載された多様な特徴を多数の実施形態において別々に実施することができ、あるいは適切なサブコンビネーションにて実施することもできる。更に、特徴の上記記載もしくは特徴の当初権利請求において特定のコンビネーションにて機能するよう特徴が記載されていても、権利請求されたコンビネーションのうちの１以上の特徴を当該コンビネーションから場合によっては削除することができ、また権利請求されたコンビネーションをサブコンビネーション又はサブコンビネーションの変形例に適用してもよい。

わずかな実施例だけを開示した。しかし、機能変形や機能増強を行ってよいことは理解されよう。

Claims (42)

1. レーザーアレイを形成し、レーザービームをそれぞれ生成する複数のレーザーと、
   前記複数のレーザービームの光路に設置され、前記複数のレーザービームを二つの直交する方向に走査する走査モジュールと、
   前記複数のレーザーと前記走査モジュールとの間に設置されるアフォーカル光リレーモジュールであって、前記レーザービームの二つの隣接するレーザービーム間の間隔を狭め、前記走査モジュールにおいて前記複数のレーザービームを互いに重ならせる複数のレンズを有するアフォーカル光リレーモジュールと
   を含む表示システム。
2. 前記アフォーカル光リレーモジュールは、
   第一焦点距離を有し、前記複数のレーザーから前記複数のレーザービームを受光して集束させる第一レンズと、
   前記第一焦点距離より小さい第二焦点距離を有し、前記第一レンズから前記第一焦点距離だけ離間し、前記第一レンズからの前記複数のレーザービームを集束させる第二レンズと、
   前記第二焦点距離より大きい第三焦点距離を有し、前記第二レンズから前記第三焦点距離だけ離間し、前記第二レンズからの前記複数のレーザービームを集束させて前記走査モジュールへと方向付ける第三レンズと
   を含む、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記走査モジュールは、
   前記第三レンズから前記複数のレーザービームを受光して、受光した該複数のレーザービームを前記第一走査方向に沿って走査する位置に配置されたガルボミラーと、
   前記ガルボミラーから前記複数のレーザービームを受光するよう配置され、受光した該複数のレーザービームを前記第一走査方向に直交する第二走査方向に沿って走査するよう動作するポリゴンスキャナと、
   を含み、
   該システムは、前記ガルボミラーと前記ポリゴンスキャナとの間に設置され、前記ガルボミラーを前記ポリゴンスキャナへと結像する光学結像レンズモジュールを更に含む、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記光学結像レンズモジュールは、一の統合的な結像倍率を生成する第一レンズユニット及び第二レンズユニットを含む、
   請求項３に記載のシステム。
5. 前記アフォーカル光リレーモジュールは、
   第一焦点距離を有し、前記複数のレーザービームの光路にそれぞれ設置される複数の第一レンズであって、各第一レンズは、前記複数のレーザービームのうち対応するレーザービームだけを受光し、その他のレーザービームを受光せず、対応する前記レーザービームを集束させる、複数の第一レンズと、
   前記第一焦点距離より小さい第二焦点距離を有し、前記複数の第一レンズから前記第一焦点距離だけ離間し、前記複数の第一レンズからの前記複数のレーザービームを集束させる一の第二レンズと、
   前記第二焦点距離より大きい第三焦点距離を有し、前記第二レンズから前記第三焦点距離だけ離間し、前記第二レンズからの前記複数のレーザービームを集束させて前記走査モジュールへと方向付ける第三レンズと
   を含む、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記走査モジュールは、
   前記第三レンズから前記複数のレーザービームを受光し、受光した前記複数のレーザービームを前記第一走査方向に沿って走査するよう配置されたガルボミラーと、
   前記ガルボミラーから前記複数のレーザービームを受光するよう配置され、受光した前記複数のレーザービームを前記第一走査方向に直交する第二走査方向に沿って走査するよう動作するポリゴンスキャナと
   を含み、
   前記システムは、前記ガルボミラーと前記ポリゴンスキャナとの間に設置され、前記ガルボミラーを前記ポリゴンスキャナへと結像する結像光学デバイスを更に含む、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記複数の第一レンズにそれぞれ連係され、それぞれが対応する第一レンズを調節するよう動作する複数のレンズアクチュエータを更に含む請求項５に記載のシステム。
8. スクリーンと、
   前記走査モジュールから前記複数のレーザービームを受光し、前記複数のレーザーを前記スクリーンへと結像することにより前記スクリーンに前記複数のレーザービームを投射するよう配置された走査レンズと
   を更に含む請求項１に記載のシステム。
9. 前記走査レンズは、二次元ｆ−θレンズである、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記スクリーンの前に設置され、前記スクリーン内へと法線入射するよう前記走査レンズからの光を方向付けるフレネルレンズを更に含む請求項８に記載のシステム。
11. 前記スクリーンは、前記複数のレーザービームに照射されたとき、可視光を発光して前記発光光により画像を形成する蛍光材料を含む、
    請求項８に記載のシステム。
12. 前記複数のレーザーと通信して画像データを供給し、前記複数のレーザーが前記複数のレーザービームをそれぞれ変調して前記スクリーンに表示すべき画像を前記複数のレーザービームに載せるよう制御する信号変調制御器を更に含み、
    前記信号変調制御器は、前記スクリーン上に表示されたときに前記走査レンズの光学的ひずみを打ち消す画像歪みを含む画像データを有する、
    請求項８に記載のシステム。
13. 前記複数のレーザービームを反射する第一と第二の光反射器を更に含み、
    前記第一の光反射器は、前記走査レンズからの複数の走査レーザービームを前記第二の光反射器へと反射するよう配置され、前記第二の光反射器は、前記第一の光反射器からの前記複数の走査レーザービームを前記スクリーンへと反射するよう配置され、
    前記第一と第二の光反射器は、前記走査レンズから前記スクリーンへの光路を折り返して前記走査レンズと前記スクリーンとの間の距離を狭めるよう配置される、
    請求項８に記載のシステム。
14. それぞれが対応のレーザーに連係され、前記レーザーが生成する対応のレーザービームの方向を調節するよう動作する複数のレーザーアクチュエータを更に含む請求項１に記載のシステム。
15. 各レーザーアクチュエータは、前記走査モジュール上のピボット点を中心として、前記レーザーが生成する対応の前記レーザービームの方向を回転させる、
    請求項１４に記載のシステム。
16. 前記複数のレーザーを三次元アレイに保持するレーザーアレイ搭載ラックを更に含む請求項１に記載のシステム。
17. 前記複数のレーザーを複数のサブレーザーアレイに保持するレーザーアレイ搭載ラックを更に含み、
    異なるサブレーザーアレイ同士は、前記走査モジュールまで異なった距離となるよう互いから空間的にずらされる、
    請求項１に記載のシステム。
18. 各サブレーザーアレイにおける複数のレーザーは、前記走査モジュールに向けて収束する扇形状に複数のレーザービームを方向付けて配向される、
    請求項１６に記載のシステム。
19. レーザーアレイを形成し、レーザービームをそれぞれ生成する複数のレーザーと、
    前記複数のレーザービームの光路に設置され、前記複数のレーザービームを二つの直交する方向に走査する走査モジュールと、
    前記複数のレーザービームに照射されたとき、可視光を発光して前記発光光により画像を形成する蛍光材料を含むスクリーンと、
    前記走査モジュールから前記複数のレーザービームを受光し、前記複数のレーザービームを前記スクリーンに投射するよう配置される走査レンズと、
    前記複数のレーザービームを反射する第一と第二の光反射器と
    を含み、
    前記第一の光反射器は、前記走査レンズからの複数の走査レーザービームを前記第二の光反射器へと反射するよう配置され、前記第二の光反射器は、前記第一の光反射器から前記複数の走査レーザービームを前記スクリーンへと反射するよう配置され、
    前記第一と第二の光反射器は、前記走査レンズから前記スクリーンへの光路を折り返して前記走査レンズと前記スクリーンとの間の距離を狭めるよう配置される、
    表示システム。
20. 前記複数のレーザーと前記走査モジュールとの間に設置されたアフォーカル光リレーモジュールであって、前記レーザービームの二つの隣接するレーザービーム間の間隔を狭め、前記走査モジュールにおいて前記複数のレーザービームを互いに重ならせる複数のレンズを有するアフォーカル光リレーモジュールを更に含む請求項１９に記載のシステム。
21. 前記アフォーカル光リレーモジュールは、
    第一焦点距離を有し、前記複数のレーザーからの前記複数のレーザービームの全てを受光して集束させる第一レンズと、
    前記第一焦点距離より小さい第二焦点距離を有し、前記第一レンズから前記第一焦点距離だけ離間し、前記第一レンズからの前記複数のレーザービームを集束させる第二レンズと、
    前記第二焦点距離より大きい第三焦点距離を有し、前記第二レンズから前記第三焦点距離だけ離間し、前記第二レンズからの前記複数のレーザービームを集束させて前記走査モジュールへと方向付ける第三レンズと
    を含む、
    請求項２０に記載のシステム。
22. 前記走査モジュールは、
    前記第三レンズから前記複数のレーザービームを受光して、前記受光した複数のレーザービームを前記第一走査方向に沿って走査するよう配置されたガルボミラーと、
    前記ガルボミラーから前記複数のレーザービームを受光するよう配置され、前記受光した複数のレーザービームを前記第一走査方向に直交する第二走査方向に沿って走査するよう動作するポリゴンスキャナと
    を含み、
    前記システムは、前記ガルボミラーと前記ポリゴンスキャナとの間に設置され、前記ガルボミラーを前記ポリゴンスキャナへと結像する結像光学デバイスを更に含む、
    請求項２１に記載のシステム。
23. 前記アフォーカル光リレーモジュールは、
    第一焦点距離を有し、前記複数のレーザービームの光路にそれぞれ設置される複数の第一レンズであって、各第一レンズは、前記複数のレーザービームのうち対応するレーザービームだけを受光し、その他のレーザービームを受光せず、対応する前記レーザービームを集束させる、複数の第一レンズと、
    前記第一焦点距離より小さい第二焦点距離を有し、前記複数の第一レンズから前記第一焦点距離だけ離間し、前記複数の第一レンズからの前記複数のレーザービームを集束させる一の第二レンズと、
    前記第二焦点距離より大きい第三焦点距離を有し、前記第二レンズから前記第三焦点距離だけ離間し、前記第二レンズからの前記複数のレーザービームを集束させて前記走査モジュールへと方向付ける第三レンズと
    を含む、
    請求項２０に記載のシステム。
24. 前記走査モジュールは、
    前記第三レンズから前記複数のレーザービームを受光し、受光した前記複数のレーザービームを前記第一走査方向に沿って走査するよう配置されたガルボミラーと、
    前記ガルボミラーから前記複数のレーザービームを受光するよう配置され、受光した前記複数のレーザービームを前記第一走査方向に直交する第二走査方向に沿って走査するよう動作するポリゴンスキャナと
    を含み、
    前記システムは、前記ガルボミラーと前記ポリゴンスキャナとの間に設置され、前記ガルボミラーを前記ポリゴンスキャナへと結像する結像光学デバイスを更に含む、
    請求項２３に記載のシステム。
25. 前記走査レンズは、二次元ｆ−θレンズである、
    請求項１９に記載のシステム。
26. 前記複数のレーザーを三次元アレイに保持するレーザーアレイ搭載ラックを更に含む請求項１９に記載のシステム。
27. 前記複数のレーザーを複数のサブレーザーアレイに保持するレーザーアレイ搭載ラックを更に含み、
    異なるサブレーザーアレイ同士は、前記走査モジュールまで異なった距離となるよう互いから空間的にずらされる、
    請求項１９に記載のシステム。
28. 各サブレーザーアレイにおける複数のレーザーは、前記走査モジュールに向けて収束する扇形状に複数のレーザービームを方向付けて配向される、
    請求項２７に記載のシステム。
29. 表示すべき画像を搬送する光パルスを含むよう光を変調する段階と、
    前記光を二つの直交する走査方向に走査する段階と、
    走査された前記光を走査レンズを用いてスクリーンに投射し、画像を表示する段階と
    を含み、
    前記スクリーン上に表示されたときに前記走査レンズにより生じる歪みを打ち消す画像歪みを含むよう、歪んだ前記画像を含めるべく前記光を変調する、
    スクリーン上に光を走査して画像を表示する方法。
30. 前記スクリーン上に表示されたときに前記走査レンズにより生じる歪みの一部が打ち消されるよう、前記第一走査方向において前記光パルスのタイミングを制御する段階を更に含む請求項２９に記載の方法。
31. 前記走査レンズにより前記スクリーン上に生じる画像歪みのマップに基づいて、前記スクリーンに表示するべき画像データに歪みを導入して歪み画像データを生成する段階と、
    前記スクリーンに表示されたときに前記走査レンズにより生じる歪みを打ち消す前記画像歪みを含む前記歪み画像データを含むよう前記光を変調する段階と
    を更に含む請求項２９に記載の方法。
32. 前記スクリーンは、走査された前記光に照射されたときに可視光を発光して画像を表示する蛍光スクリーンである、
    請求項２９に記載の方法。
33. 画像を搬送するよう変調された少なくとも一つの励起ビームを生成する光源と、
    前記励起ビームを二つの直交する方向に走査する走査モジュールと、
    前記走査された励起ビームを受光し、前記走査された励起ビームに照射されて可視光を発光し、発光した前記可視光により前記画像を形成する蛍光スクリーンと、
    前記走査モジュールから前記走査された励起ビームを受光し、前記走査された励起ビームを前記スクリーンに投射するよう配置された二次元ｆ−θ走査レンズと
    を含む表示システム。
34. 前記光源と通信して前記画像の画像データを供給し、前記励起ビームを変調する前記光源を制御する信号変調制御器を更に含み、
    前記信号変調制御器は、前記スクリーン上に表示されたときに前記二次元ｆ−θ走査レンズの光学的ひずみを打ち消す画像歪みを含む画像データを供給する、
    請求項３３に記載のシステム。
35. それぞれが励起波長の光を吸収して可視色の光を発光する複数の平行な蛍光ストライプを含むスクリーンと、
    前記励起波長のレーザービームを投射して前記スクリーンを走査し、前記レーザービームの光変調により搬送される画像を、前記スクリーン上の前記複数の蛍光ストライプにより生成されるカラー画像へと変換するレーザーモジュールと
    を含み、
    前記レーザーモジュールは、前記レーザービームを少なくとも一つの方向に走査するホログラフィックビームスキャナを含む、
    表示システム。
36. 前記蛍光スクリーンは、複数の平行なリン光体ストライプを含み、
    少なくとも三つの隣接するリン光体ストライプは、前記励起波長の光を吸収して第一カラーの光を発光する第一リン光体、前記励起波長の光を吸収して第二カラーの光を発光する第二リン光体、および前記励起波長の光を吸収して第三カラーの光を発光する第三リン光体の三つの異なるリン光体から形成される、
    請求項３５に記載の表示システム。
37. 前記蛍光スクリーンの前記複数の蛍光ストライプは、
    前記励起光を吸収して白色光を発光する蛍光材料の層と、
    それぞれが対応する蛍光ストライプに対してアライメントされた複数の平行なフィルターストライプを含むフィルター層と
    を含み、
    少なくとも三つの隣接するフィルターストライプは、第一カラーの第一可視光を透過させ、第二カラーと第三カラーを含むその他のカラーの光を吸収する第一フィルター材料、前記第二カラーの第二可視光を透過させ、前記第一カラーと前記第三カラーを含むその他のカラーの光を吸収する第二フィルター材料、及び前記第三カラーの第三可視光を透過させ、前記第一カラーと前記第二カラーを含む前記その他のカラーの光を吸収する第三フィルター材料からそれぞれ形成される、
    請求項３５に記載の表示システム。
38. 前記ホログラフィックビームスキャナは、ホログラムパターンを記録したホログラフィックディスクと、前記レーザービームを走査するときに前記ホログラフィックディスクを回転させるメカニズムとを含む、
    請求項３５に記載の表示システム。
39. 前記レーザーモジュールは、前記ホログラフィックビームスキャナが走査する前記方向とは異なる方向に前記レーザービームを走査する別個のビーム走査デバイスを更に含む、
    請求項３５に記載の表示システム。
40. 前記別個のビーム走査デバイスは、ガルボミラーである、
    請求項３９に記載の表示システム。
41. 前記別個のビーム走査デバイスは、第二のホログラフィックビームスキャナである、
    請求項３９に記載の表示システム。
42. 前記ホログラフィックビームスキャナは、前記レーザービームを二つの異なる方向に走査する、
    請求項３５に記載の表示システム。

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