JP2012093577A - 走査方法、映像投影装置および画像取得装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1偏向方向と第2偏向方向とに互いに独立して振動し、入射される電磁波の向きを変えて反射する偏向器を有し、偏向器が偏向させた電磁波を走査させることにより空間を2次元走査する走査方法において、第2偏向方向に1往復する時間において、第1偏向方向の位相進み角度βと、周角とがなす比が略無理数となるような第1振動周波数f1および第2振動周波数f2を用いる。
【選択図】図2
Description
偏向反射器101は、入射光103を反射し、反射角度を変えることで入射光103の反射方向を変える。反射光104は、スクリーン102に投影され輝点となる。偏向反射器101は、概略直交する2軸の回転軸があり、回転軸により反射器の角度を変える。反射器の角度が変わることで反射光104の方向が変わりスクリーン102上での輝点の位置が変わる。
この輝点を映像表示に利用するため、図14に示すような軌跡の走査線を描くように偏向反射器101を駆動する。図14に示す実線部分が実際に映像表示に使う部分である。破線部分は映像表示に使わない帰線を表す。図中左上から右方向へ走査し、右端に至ると左端の1ライン下へ戻す。この動作を図中左上から右下に到るまで繰り返す。右下に至ると左上へ戻す。
一般にテレビジョンでは、1秒間に60回の画面描画が必要である。そして、映像の垂直方向の解像度が例えば480本とした場合、水平方向の走査周波数は、480*60=28,800となり約30kHz程度必要である。また、映像を走査していることが視覚的に気にならないようにするには、偏向反射器101を高速に駆動する必要がある。
この動作はブラウン管テレビジョンと基本的に同様である。ブラウン管テレビジョンでは、入射光103の代わりに電子ビームを、偏向反射器101の代わりに偏向コイルによって電子ビームの向きを変えている。
ミラーにより偏向器を構成する場合、ミラーを回転させる、ミラーを振動させるなどが可能な駆動系が必要になる。数十kHzの偏向を行うには、高速回転が要求されるが、小型なモータで実現するのは難しくなる。そこで、ミラーを振動させると小型のものが実現できるが、直線的な動きや不連続な動きのある図14のような走査は難しくなる。
ミラーを振動させる場合は共振を用いると少ないエネルギーで大きな振幅を得ることができる。
そこで、例えば直交する軸をそれぞれ基本波で動かすと図15のような走査が行われる。このような走査の軌跡はリサージュ図形と呼ばれる。この例では図中の水平方向と垂直方向の周波数の比は10:3である。水平方向と垂直方向の基本波の位相差はゼロの場合を例示している。
特許文献1では、反射器の角度制御が容易になるように、基本波を用いて反射器を駆動する方法と、周波数の設計方法とが報告されている。
詳しくは、走査アセンブリは、第1の次元において第1の周波数により画像ビームを掃引し、第2の次元においては、第1の周波数よりも低い第2の周波数により双方向に掃引するという技術が開示されている。
例えば図16はある矩形領域を20×20の画素で構成する場合を示している。このような矩形領域を対象として図15に示すようなリサージュ図形の軌跡上を走査する場合、走査されない画素が生じることになるといった問題があった。
なお、図16においては、走査されない画素を白い画素として図示している。
本発明はこのような課題を鑑み、走査領域となる範囲をよりムラなく走査可能な走査周波数の選択を実現する方法を提供することを目的とする。
偏向器は入射する電磁波の向きを変えて出力する。偏向器は異なる2つの方向へ独立して向きを変えられる。この2つの向きを第1の偏向方向と第2の偏向方向と呼称する。第1の偏向方向と第2の偏向方向とは互いに独立した概略単振動する向きに偏向する。
第1の偏光方向に対する振動の周波数をf1、周期をT1=1/f1、第2の偏光方向の周波数をf2,周期をT2=1/f2とする。第1の偏光方向の振動と、第2の偏光方向の振動との位相差をαとする。
第1の偏光方向と第2の偏光方向は概略直行する方向とする。ここでは第1の偏光方向をx方向、第2の偏光方向をy方向と呼ぶ。
よって、リサージュ図形は1往復では起点に戻って来ずにx方向へ120度ずれた位置に戻ってくる。
yが1往復すると120度位置がずれるので、3往復すると丁度360度の回転となり起点に戻ることになる。
このリサージュ図形で例えば20×20の分解能で画素を構成することを考えると、図16に示すようになる。図16に示す白い画素(走査による軌跡を含んでいない領域上にある画素)は偏向器が何往復走査しようが走査線が通ることはない。
走査されない場所をより少なくするには、角度βを見直すと良い。y方向の1往復でβ度だけx方向の回転が起こることを表すので、例えばβが10度となるような周波数の組み合わせを選択すれば、y方向に1往復毎にx方向に10度のずれが生じる。先程の周波数の例に倣えば、f1:f2=10:3.30275というような周波数比である。この時の走査線の例を図2に示す。
このように位相進み角度βを小さな角度にするとより密度の高い走査が可能となる。しかし、矩形領域全体を走査する時間は増加することになる。位相進み角度β=10度ならば36回y方向の往復をする時間が必要である。
そこで、矩形領域の操作時間と走査密度のバランスをとるためβと周角の比を無理数の角度とする。このようにすると、位相進み角度β度でいくら回転しても同じ角度になって戻ることは無い。
ここではその位相進み角度βの角度を黄金角とする。黄金角とは、周角を黄金比φで分割したものである。
円周を黄金角単位に回転していくと、回転位置が重なることが無く、かつ均一に円周上の角度を占めていくことで知られている。
実際には無理数の周波数比を発生させることは困難であるため、有理数に近似した位相進み角度βを用いるのが現実的である。図3に示す走査の計算においても周波数比を小数点以下第7位で四捨五入した値を用いている。
このような位相進み角度βを持った周波数の組み合わせを求めるには次の式を用いればよい。
偏向器については、2軸を有する偏向器、あるいは、図13に示すように、1軸の偏向器101a,101bが互いに略直行する偏向方向を有するように配置している場合も同様である。
次に、図4を参照して、本発明の実施の形態に係る画像投影装置である映像プロジェクタの構成について説明する。
ビデオデコーダ部10は、映像信号の色情報と垂直・水平タイミング情報から画素の色と位置を再構成してフレームメモリ部11へ画素情報を書き込む。
フレームメモリ部11は、少なくとも1画面分の映像情報を記憶する。
第1信号発生部12は、偏向反射器201の軸1を振動させる信号を発生する。第2信号発生部13は偏向反射器201の軸2を振動させる信号を発生する。
R用ドライバ15Rは入力した信号からLD_Rを駆動する。G用ドライバ15Gは入力した信号からLD_Gを駆動する。B用ドライバ15Bは入力した信号からLD_Bを駆動する。
偏向反射器201は入射する光を反射する。反射方向は略直行する軸1と軸2により方向を変えることができる。例えば軸1は投影する映像の水平方向に向きを変える。軸2は映像の垂直方向に向きを変える。
検知器19は、実際の偏向反射器201の位置を検出する。偏向反射器201の角度と関連する信号である。例えば、検知器19は歪みセンサを有し、偏向反射器201の角度を偏向反射器201を支える軸のねじれより歪みを検出する。あるいは、偏向反射器201で反射された光を光検知器(たとえばフォトダイオード)で検知すると、偏向反射器201がフォトダイオードが設置された方向に輝点を照射するタイミングが判る。
301はLD_R、302はLD_G、303はLD_Bであり、それぞれ半導体レーザを用いる。
304a,304bはダイクロックミラーである。201は偏向反射器である。305R,305G,305Bはレンズである。
半導体レーザ301,302,303から照射される光は、それぞれレンズ305R,305G,305Bにより拡散角度を狭められ直進する光に整形される。それぞれの3本の光はダイクロックミラー304により1本の光に合成される。
合成された光は偏向反射器201により反射されて方向を変える。
第1振動モデル部21は、偏向反射器201の軸1の振動を模し、偏向方向を算出する。第2振動モデル部22は偏向反射器201の軸2の振動を模し、偏向方向を算出する。
座標算出部24は、振動モデルより算出された軸1及び軸2の位置より出力すべき画素の座標を決定する。また、投影映像の歪み補正のため座標補正部26のパラメータに従い座標変換を行う。
バッファ読出部23は、座標算出の座標値に対応する画素をフレームメモリ部11に設けられたフレームバッファより読み出す。
これら第1振動モデル部21、第2振動モデル部22、座標算出部24、バッファ読出部23は少なくとも3系統を有する。それぞれ、例えば赤、青、緑の成分の3系統有し、映像の色成分毎に処理を行う。
画素補正部25により補正された3色分の画素データはそれぞれのドライバ15R,15G,15Bへ出力される。
振動モデル部21,22は、例えばサイン波を発生する。偏向反射器201が共振により振動している場合、サイン波は良い近似を得られる。サイン波の位相は検知器19により検出された偏向反射器201の歪みに基づいて振動モデル部21,22で補正することで、実際の偏向反射器201の向きに合わせることができる。偏向反射器21,22の振動を表しているなら振動モデル部21,22の出力波形はサイン波でなくても良い。
例えばN=1、f1=5kHz、β=137.51度とすると、f2=3618.018Hzと求められる。この時、1/30秒でどの程度映像領域が走査されるかを見てみる。このf2の周波数だと1/30秒で約120往復する。この様子を図7に示す。
また、f1=10kHzとすると、f2=7236.04Hzとなり、同じく1/30秒では図8に示す様子のようになる。
偏向反射器201の振動周波数を上げれば矩形領域をより隙間なく走査することになる。描画する映像の解像度により十分な周波数を決定すればよい。
ここでは、N=1の場合を例示したが、Nが1より大きくともよい。
例えば、f=5kHzでN=2とした場合、f2=2099.1Hzと求まる。1/30秒で走査される範囲は図9に示す様子のようになる。
例えば2軸の偏向方向を有する偏向反射器を作成する場合、単方向の偏向反射器の中に異なる方向の偏向反射器を入れ子状に実装することが考えられる。この場合、母偏向反射器は子偏向反射器を入れるために子偏向反射器に比べ大きく重くなる。つまり、母偏向反射器と子偏向反射器の共振周波数は大きく異なってくる。このような場合にはNが大きな周波数の組み合わせを検討することで適した周波数の組み合わせが見つかる可能性が高まる。
次に、図10を参照して、本発明の実施の形態に係る画像取得装置であるフォトディテクタについて説明する。
図10において、402はフォトディテクタであり、201は偏向反射器である。偏向反射器201は、上述した走査方法により駆動されている。
遠方から入射される光線は偏向反射器201により偏向される。偏向された光線はレンズ401で集光されフォトディテクタ402で検出される。偏向反射器201の角度とフォトディテクタ402の検出値を関連付けすることで画像を形成する。
11 フレームメモリ部
12 第1信号発生部
13 第2信号発生部
14 出力制御部
15R,15G,15B ドライバ
16 第1ドライバ
17 第2ドライバ
19 検知器
21 第1振動モデル部
22 第2振動モデル部
23 バッファ読出部
24 座標算出部
25 画素補正部
26 座標補正部
201 偏向反射器
301 LD_R
302 LD_G
303 LD_B
304a,304b ダイクロックミラー
305R,305G,305B レンズ
401 レンズ
402 フォトディテクタ
Claims (4)
- 第1偏向方向と第2偏向方向とに互いに独立して振動し、入射される電磁波の向きを変えて反射する偏向器を有し、前記偏向器が偏向させた電磁波を走査させることにより空間を2次元走査する走査方法において、
前記第2偏向方向に1往復する時間において、前記第1偏向方向の位相進み角度βと、周角とがなす比が略無理数となるような第1および第2振動周波数を用いることを特徴とする走査方法。 - 請求項1の走査方法において、
位相進み角度βは概略黄金角となるような第1振動周波数および第2振動周波数を用いることを特徴とする走査方法。 - 請求項1または請求項2に記載の走査方法を用いたことを特徴とする映像投影装置。
- 請求項1または請求項2に記載の走査方法を用いたことを特徴とする画像取得装置。
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