JP2015148649A - Projection method and projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を走査して画像を投影する投影方法および投影装置に関する。 The present invention relates to a projection method and a projection apparatus that project an image by scanning a laser beam.
特許文献1には、光ビームを出射するレーザ光源と、光ビームを略垂直にミラー面に入射し光ビームを略垂直に反射する走査ミラーと、光ビームを1/4波長板を介して走査ミラーに入射させるとともに、走査ミラーで反射され1/4波長板を通過した光ビームをスクリーンの方向へ出射させる偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタから出射された光ビームの走査角度をN倍に拡大する画角拡大素子を備える走査型画像表示装置が記載されている。
特許文献2には、レーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光を2次元的に走査する走査装置と、それらの間に配置されレーザ光の光路を屈曲させる屈曲素子とを備えるレーザ投射装置が記載されている。この屈曲素子は、偏光ビームスプリッタ(PBS)と、PBSの反射面を透過した光をPBSに戻すための反射ミラーと、PBSと反射ミラーの間に介在する1/4波長板と、PBSの反射面を反射した光をPBSに戻すための反射ミラーと、PBSと反射ミラーの間に介在する1/4波長板とを備える。
特許文献3には、複数の光源と、光源からの出射光を反射し対象物に投射する反射ミラーと、入力映像信号を信号処理する画像処理手段とを有する画像表示装置が記載されている。この画像表示装置では、複数の光源からの出射光を異なる光軸で反射ミラーに入射させ、異なる投射領域に投影させ、且つこれをまとめることで一つの入力映像信号の画像を表示させる。複数の投射画像が光学的に重なり合う領域に対応する画像は、1つの光源からの出射光となっている。 Patent Document 3 describes an image display device having a plurality of light sources, a reflection mirror that reflects light emitted from the light sources and projects the light onto an object, and image processing means that performs signal processing on an input video signal. In this image display device, light emitted from a plurality of light sources is incident on a reflection mirror along different optical axes, projected onto different projection areas, and combined to display an image of one input video signal. An image corresponding to a region where a plurality of projection images are optically overlapped is emitted light from one light source.
特許文献4には、複数のレーザ光源と、レーザ光源から出射した光ビームを反射しスクリーン等に投射する反射ミラーとを有し、複数の光ビームを異なる光軸で反射ミラーに入射し異なる投射領域に投影して、複数の画面によって一つの画像を表示させる走査型投射装置が記載されている。この走査型投射装置では、複数の光ビームに所定の相対角度をつけ、複数の画面を互いにわずかにずらして重ね合わせることで一つの画面を構成する。 Patent Document 4 includes a plurality of laser light sources and a reflection mirror that reflects a light beam emitted from the laser light source and projects the light beam onto a screen or the like. There is described a scanning projection device that projects onto a region and displays one image on a plurality of screens. In this scanning projection apparatus, a plurality of light beams are given a predetermined relative angle, and a plurality of screens are slightly shifted from each other and overlapped to form one screen.
例えば、携帯機器で高精細の3次元ディスプレイを実現するためには、ピコプロジェクタを2次元状に複数個配列してライトフィールドを形成することが考えられる。しかしながら、これでは装置を小型化することが難しく、製造コストも高くなる。このため、携帯機器に小型で高精細の投影装置を搭載するには、ピコプロジェクタ自体の一層の小型化と高精細化を同時に実現する必要がある。 For example, in order to realize a high-definition three-dimensional display in a portable device, it is conceivable to form a light field by arranging a plurality of pico projectors two-dimensionally. However, this makes it difficult to reduce the size of the apparatus and increases the manufacturing cost. For this reason, in order to mount a small and high-definition projection apparatus in a portable device, it is necessary to simultaneously realize further downsizing and higher definition of the pico projector itself.
そこで、本発明は、本構成を有しない場合と比べて装置がより小型化され、かつ投影画像がより高精細化される投影方法および投影装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a projection method and a projection apparatus in which the apparatus is further miniaturized and the projected image is further refined as compared with the case without this configuration.
本発明の投影方法は、少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して画像を投影する投影方法であって、レーザ光源からの複数組のレーザ光を出射させる出射ステップと、投影領域を構成する各部分領域を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って、共通の走査部により2次元状に走査する走査ステップとを有する。 The projection method of the present invention is a projection method for projecting an image by scanning at least a set of red, green, and blue laser beams, and emitting a plurality of sets of laser beams from a laser light source; and Each of the partial areas constituting the projection area is a laser beam corresponding to the partial area of a plurality of sets of laser beams, and is scanned by a common scanning unit along a single scanning direction predetermined for each partial area. And a scanning step for scanning in a dimensional manner.
上記の投影方法では、複数のレーザ光は2組のレーザ光であり、投影領域は2つの部分領域に分割され、2つの部分領域における走査方向は互いに向かい合う方向であり、走査ステップでは、走査方向に沿って複数の走査線を描くように、走査部により2つの部分領域上を走査することが好ましい。 In the projection method described above, the plurality of laser beams are two sets of laser beams, the projection region is divided into two partial regions, and the scanning directions in the two partial regions are opposite to each other. It is preferable that the scanning unit scans the two partial regions so as to draw a plurality of scanning lines along the line.
上記の投影方法の出射ステップでは、2組のレーザ光を、走査線の単位で交互に出射させることが好ましい。 In the emission step of the projection method described above, it is preferable to emit two sets of laser beams alternately in units of scanning lines.
上記の投影方法の出射ステップでは、2組のレーザ光のそれぞれをファイバにより導波させ、ファイバの出射端面から2組のレーザ光を出射させ、走査ステップでは、走査線に垂直な方向における各走査線の位置が2つの部分領域の間で一致するように、走査部により2組のレーザ光が走査されることが好ましい。 In the emission step of the projection method described above, each of the two sets of laser beams is guided by the fiber, and two sets of laser beams are emitted from the emission end face of the fiber. In the scanning step, each scan in the direction perpendicular to the scanning line is performed. It is preferable that two sets of laser beams are scanned by the scanning unit so that the positions of the lines coincide between the two partial regions.
上記の投影方法では、複数組のレーザ光は、投影領域近傍にビームウェスト位置が近付くように、投射レンズによりそれぞれのビーム径が絞られることが好ましい。 In the above projection method, it is preferable that the plurality of sets of laser beams have their respective beam diameters reduced by the projection lens so that the beam waist position approaches the projection region.
上記の投影方法では、ファイバの先端にはGIレンズが設けられ、投射レンズに入射する複数組のレーザ光のビーム径がGIレンズにより調整されることが好ましい。 In the above projection method, it is preferable that a GI lens is provided at the tip of the fiber, and the beam diameters of a plurality of sets of laser light incident on the projection lens are adjusted by the GI lens.
また、本発明の投影装置は、少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して画像を投影する投影装置であって、複数組のレーザ光を発光するレーザ光源と、複数組のレーザ光をそれぞれ導波して出射端面から出射する出射部と、複数組のレーザ光のビームウェスト位置が投影領域近傍に近付くようにレーザ光のビーム径を絞る投射レンズと、投影領域を構成する各部分領域を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って2次元状に走査する走査部とを有する。 Further, the projection device of the present invention is a projection device that projects an image by scanning at least one set of red, green, and blue laser beams, a laser light source that emits a plurality of sets of laser beams, and a plurality of sets. The projection section is composed of an emission section that guides each laser beam and emits it from the exit end face, a projection lens that narrows the beam diameter of the laser light so that the beam waist position of multiple sets of laser lights approaches the projection area A scanning section that scans each partial area in a two-dimensional manner along a single scanning direction predetermined for each partial area with laser light corresponding to the partial area of the plurality of sets of laser lights .
本発明の投影方法および投影装置によれば、本構成を有しない場合と比べて装置がより小型化され、かつ投影画像がより高精細化される。 According to the projection method and the projection apparatus of the present invention, the apparatus is further miniaturized and the projection image is further refined as compared with the case without the present configuration.
以下、図面を参照しつつ、投影方法および投影装置について説明する。ただし、本発明が図面または以下に記載される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。 Hereinafter, a projection method and a projection apparatus will be described with reference to the drawings. It should be understood, however, that the present invention is not limited to the drawings or the embodiments described below.
この投影装置は、投影面(スクリーン)上の複数の部分領域を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って、共通の走査部により2次元状に走査する。この投影装置は、複数組のレーザ光を1つの走査部により走査することで、投影面上に高精細の画像を投影する。レーザ光の出射端面から投影面までの距離は、例えば数十cm〜数m程度である。 In this projection apparatus, a plurality of partial areas on a projection surface (screen) are aligned with a single scanning direction predetermined for each partial area with laser light corresponding to the partial areas of a plurality of sets of laser lights. The two-dimensional scanning is performed by the common scanning unit. This projection apparatus projects a high-definition image on a projection surface by scanning a plurality of sets of laser beams with a single scanning unit. The distance from the emission end face of the laser beam to the projection surface is, for example, about several tens of centimeters to several meters.
図1は、レーザプロジェクタ1の概略構成図である。レーザプロジェクタ1は、投影装置の一例であり、主要な構成要素として、レーザ光源10、出射部20、屈曲部30、走査部40および制御部50を有する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
レーザ光源10は、6個のレーザ素子11R,11G,11B,12R,12G,12Bを有する。レーザ光源10は、複数のレーザ光として、2組のRGBレーザ光を発光する。
The
レーザ素子11R,12Rは、例えば波長640nmの赤色(R)レーザ光を発光する半導体レーザである。レーザ素子11G,12Gは、例えば波長520nmの緑色(G)レーザ光を発光する半導体レーザである。また、レーザ素子11B,12Bは、例えば波長460nmの青色(B)レーザ光を発光する半導体レーザである。なお、レーザ素子11G,12Gは、第2次高調波を使用したいわゆるSHGレーザ素子でもよい。
The
出射部20は、ファイバ21,21R,21G,21B、ファイバ22,22R,22G,22B、融着型ファイバコンバイナ25、ファイババンドルコンバイナ27およびλ/2板28を有する。出射部20は、レーザ光源10が発光した2組のRGBレーザ光を、屈曲部30に向けて出射する。
The
ファイバ21R,21G,21Bは、レーザ素子11R,11G,11Bが発光したRGBレーザ光をそれぞれ導波するシングルモードの光ファイバである。また、ファイバ22R,22G,22Bは、レーザ素子12R,12G,12Bが発光したRGBレーザ光をそれぞれ導波するシングルモードの光ファイバである。融着型ファイバコンバイナ25は、ファイバ21R,21G,21Bとファイバ22R,22G,22Bで導波されるRGBレーザ光を、それぞれ1本のファイバ21,22に合波する。ファイバ21,22は、合波されたRGBレーザ光を導波するシングルモードの光ファイバである。特に、ファイバ21,22は、光の利用効率を向上させ、屈曲部30での偏光の制御性を容易にするために、当該波長での偏波保持シングルモードファイバ(PMF:Polarization Maintaining Fiber)であることが好ましい。なお、ファイバ21,22と融着型ファイバコンバイナ25を用いずに、単にファイバ21R,21G,21Bとファイバ22R,22G,22Bをそれぞれ束ねて固定することで、ファイババンドルでコンバイナを構成してもよい。
The
ファイバ21,22の出射端部には、それぞれGIレンズ26が融着されている。GIレンズ26によりファイバの開口数(NA:Numerical Aperture)を変化させることで、ファイバ21,22から出射されるRGBレーザ光のそれぞれの波長におけるガウシアンビームの広がり角度が制御される。
ファイババンドルコンバイナ27は、一定の間隔を空けてファイバ21,22の出射端部を固定する固定具である。ファイババンドルコンバイナ27は、RGBレーザ光の出射方向に垂直な面内でファイバ21,22の出射端部を回転可能に構成されている。
The
λ/2板28は、ファイバ21,22から出射されたRGBレーザ光の偏光方向を変化させる。λ/2板28は、例えば、透過したRGBレーザ光が屈曲部30の偏光制御部(後述する偏光ビームスプリッタ32)に対してS偏光に高効率に変換されるように、入射するRGBレーザ光の偏光状態に応じた角度だけ光学軸を傾けた状態で配置される。
The λ / 2
屈曲部30は、投射レンズ31、偏光ビームスプリッタ(PBS:Polarization Beam Splitter)32およびλ/4板33を有する。屈曲部30は、出射部20からのRGBレーザ光のビーム71,72を屈曲させて走査部40に入射させ、走査部40から投影面60に向かう反射光を透過させる。
The
投射レンズ31は、ファイバ21,22から出射されλ/2板28によりS偏光に変換されたビーム71,72の進行方向を変化させる。特に、投射レンズ31は、ビーム71,72が走査部40のMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラー41に照射されるように、そのビーム径と入射角度とを調整する作用をする。投射レンズ31を透過したS偏光のビーム71,72は、PBS32に入射する。
The
PBS32は、S偏光を反射しP偏光を透過する反射膜321を有する。PBS32は、入射したS偏光のビーム71,72を反射膜321で反射させて、λ/4板33に入射させる。なお、PBSとして、誘電体多層ミラーからなる反射膜321を用いた立方体型を図示しているが、広帯域化を図るためにワイアグリッド型のプレート型反射型偏光子をPBS32として配置してもよい。
The
λ/4板33は、PBS32とMEMSミラー41の間に配置され、透過するビーム71,72の偏光方向を変化させる。まず、λ/4板33は、PBS32から入射したS偏光を円偏光に変換する。変換された円偏光のビーム71,72は、MEMSミラー41にほぼ垂直に入射し、MEMSミラー41で反射して、λ/4板33に再度入射する。また、λ/4板33は、MEMSミラー41から入射した円偏光をP偏光に変換する。すなわち、ビーム71,72は、λ/4板33を2回透過することにより、最初の偏光方向に対して直交した偏光方向をもつ直線偏光に変換される。
The λ / 4
P偏光に変換されたビーム71,72は、PBS32に再度入射し、PBS32の反射膜321を透過して、投影面60に投影される。
The
走査部40は、MEMSミラー41およびMEMSドライバ42を有する。走査部40は、高速に揺動するMEMSミラー41でビーム71,72を反射することにより、投影面60上を2次元状に走査する。
The
図2は、MEMSミラー41の構造を示した図である。MEMSミラー41は、ミラー面411がトーションバー412,413で支持された構造を有する。ミラー面411の大きさは、例えば1.2mm角程度である。ミラー面411と同一面内で、図2のようにX方向とY方向を定める。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the
MEMSミラー41は、X方向には例えば約20KHzで共振駆動される。これによってトーションバー412が捻れることで、ミラー面411は、軸414を中心軸としてX方向に揺動する。このため、ミラー面411に入射するビームの反射角は、X方向に正弦波状に時間変化する。また、MEMSミラー41は、Y方向には鋸波状の強制駆動により例えば60Hzで駆動される。これによってトーションバー413が捻れることで、ミラー面411は、軸414に直交する軸415を中心軸としてY方向に揺動する。このため、ミラー面411に入射するビームの反射角は、Y方向に鋸波状に時間変化する。このようにして、MEMSミラー41は、入射したビームを、一定の走査角の範囲内で2次元状に走査する。
The
MEMSドライバ42は、制御部50による制御データに応じてMEMSミラー41を駆動し、MEMSミラー41をX,Y方向に高速に揺動させる。この駆動方式は、静電方式、電磁方式、ピエゾ方式などのどれを用いてもよい。また、X,Y方向の走査で異なる駆動方式を組み合わせてもよい。
The
ビーム71,72が投影される投影面60上の有効エリアを広げるためには、MEMSミラー41に対してほぼ垂直にビームを入射し、反射することが好ましい。ただし、レーザ光源10からMEMSミラー41に直接ビーム71,72を入射させると、レーザ光源10に向けて戻るビームを画像投影に使用できなくなる。このため、レーザプロジェクタ1では、PBS32を用いてビーム71,72を屈曲させることにより、MEMSミラー41でほぼ垂直に反射したビームが投影面60に投影されるようにする。なお、図1では、2組のRGBレーザ光の出射端となるGIレンズ26を紙面に平行に配置したファイババンドルコンバイナ27を例示しているが、ファイババンドルコンバイナ27は紙面に垂直に配置してもよい。
In order to expand the effective area on the
また、レーザプロジェクタ1では、投影面60上の有効エリアをさらに広げるために、シングルビーム(1組のRGBレーザ光)ではなくダブルビーム(2組のRGBレーザ光のビーム71,72)を使用する。例えば、シングルビームの場合は、MEMSミラー41の走査角が±8度の範囲であるとすると、MEMSミラー41へのビームの入射角(ミラー面411の法線と入射ビームのなす角)が8度のときは、ビームの走査角(入射ビームと反射ビームのなす角)は、最大で32度になる。すなわち、MEMSミラー41により最大で32度だけビームを振ることができる。一方、ダブルビームにすると、そのダブルビームの間隔、投射レンズ31への入射角度、投射レンズ31の焦点距離f、ファイバ21,22のNAなどを調整することにより、同じMEMSミラー41を使っても、実効的な走査範囲を倍の64度にすることができる。したがって、MEMSミラー41の走査角が±8度と比較的小さくても、ダブルビームにすることで、より広い角度の範囲を走査することが可能になる。
The
なお、MEMSミラー41は、PBS32で反射したビームではなく、PBS32を透過したビームを使用して、投影面60上を走査してもよい。この場合、λ/4板33とMEMSミラー41は、図1の配置とは異なり、出射部20からPBS32への入射方向の延長線上に配置される。そして、ファイバ21,22から出射されたビーム71,72は、λ/2板28でP偏光に変換される。PBS32に入射したP偏光のビームは、一度PBS32を透過してからλ/4板33を2回透過することでS偏光に変換され、反射膜321で反射して投影面60に投影される。
Note that the
制御部50は、CPU51、RAM52、ROM53およびI/O54などを有するマイクロコンピュータ及びその周辺回路で構成される。制御部50は、レーザプロジェクタ1全体の動作を制御する。制御部50は、画像データに応じて、後述するようにレーザ光源10の発光タイミングを制御し、かつ走査部40を制御してビーム71,72を投影面60に投影させる。
The
CPU51は、各種演算及び処理を行う中央処理部である。RAM52は、入力データおよびCPU51が処理するデータを一時的に記憶するランダムアクセスメモリである。ROM53は、CPU51が実行する動作プログラムおよび固定データを格納するリードオンリメモリである。I/O54は、レーザ光源10および走査部40との間でデータの受渡しを行うためのインタフェースである。
The
図3は、図1の等価光学系を示した図である。図3は、図1に示した各部のうち、GIレンズ26と投射レンズ31の機能だけを抜き出して表した図である。例えば、PBS32はビーム71,72の方向を変えるだけなので、図3では図示を省略している。また、MEMSミラー41はビーム71,72を反射するが、図3では透過するものとして図示している。
FIG. 3 is a diagram showing the equivalent optical system of FIG. FIG. 3 is a diagram showing only the functions of the
MEMSミラー41の大きさが制限されている(ミラー面411が例えば1.2mm角と小さい)ため、レーザプロジェクタ1では、MEMSミラー41の大きさに合ったビーム径になるように、GIレンズ26と投射レンズ31との組合せによりビーム71,72を絞る。一般に、平行に配置したビームをレンズに入射させると各ビームはレンズの焦点を通るため、レーザプロジェクタ1では、MEMSミラー41は、投射レンズ31の焦点距離fだけ投射レンズ31から離れた位置に配置される。これにより、ミラー面411が小さくても、ビーム71,72がMEMSミラー41で反射されるようにする。
Since the size of the
ただし、シングルモードのファイバ21,22から出射されるRGBレーザ光はガウシアンビームであるため、MEMSミラー41の位置でビーム径を絞りすぎると、投影面60に達するまでにビームが発散してしまう。そこで、GIレンズ26のNAの値および位置と投射レンズ31の位置を調整して、ビーム71,72がMEMSミラー41の位置では1.2mm角のミラー面411に収まる程度に絞られ、かつ投影面60の近傍にビームウェストが位置するようにする。すなわち、レーザプロジェクタ1は、いわゆるフォーカスフリーのプロジェクタではなく、GIレンズ26および投射レンズ31を使用して投影面60の近傍に各ビームのビームウェストの位置を合わせるように設計される。
However, since the RGB laser light emitted from the
また、通常、MEMSミラー41には、空気中で振動させる場合、大きさの制約条件があるため、MEMSミラー41でのビーム径を投影面60で必要となる小さなビーム径に調整するために必要な面積を確保できない場合が生じる。その場合、図3には図示しないが、MEMSミラー41と投影面60の間にさらにビーム径変換用またはフォーカス用の投射レンズを追加してもよい。
In addition, when the
ガウシアンビームは、ビームウェストから先では、一定角度で発散し、ビームの出射部からの距離に比例して広がっていく光とみなすことができる。このため、フォーカスフリーのプロジェクタでは、MEMSミラー41の位置にビームウェストが来るように設計することで、出射部と投影面の間の距離にかかわらず、良好な画像を投影できるようにしている。しかしながら、フォーカスフリー設計では、出射部と投影面の間の距離が大きくなるほど、ビームの投射点が大きくなる。
The Gaussian beam can be regarded as light that diverges at a certain angle from the beam waist and spreads in proportion to the distance from the beam emitting portion. For this reason, the focus-free projector is designed so that the beam waist comes to the position of the
一方、レーザプロジェクタ1では、ビーム71,72のビームウェストが投影面60の近傍に位置するように設計されるため、フォーカスフリー設計の場合と比べて投射点の大きさを小さくすることができる。したがって、RGBレーザ光を多重化して1つのMEMSミラー41で走査することにより、その多重度に応じて投影画像の分解能を上げることが可能になる。
On the other hand, since the
また、レーザプロジェクタ1では、人間の目の分解能に対する相対的な投射点の大きさを小さくすることで、スペックルを低減させることも可能になる。人間の視細胞の分解能は4μm程度であり、立体角で表すと1分(=1度/60)程度の大きさになる。視聴者とスクリーンとの相対距離を調整し、投射点の立体角を小さくしてその立体角に複数の投射点を入れることができれば、それらの投射点は視細胞で分解できないため、網膜上で生じる個別のスペックルパタンの強度分布の空間平均(空間ダイバシティ)をとったのと同じ効果が得られる。例えば、視細胞の大きさに対応する立体角にn個の投射点を入れると、各点からの光強度の寄与が等しい理想的な場合、スペックルは1/√nに軽減される。
Further, in the
また、光の利用効率を高めるためには、ファイバ21,22の先端にGIレンズ26を付けて、ファイバのNAを所定の大きさに小さくすることが好ましい。ファイバからのビームの出射角をθとすると、空気中の場合にはNA=sinθと表される。シングルモードファイバのNAは0.13程度である。シングルモードファイバの端部から直接ビームを出射させると、出射ビームが発散してしまうためケラレが生じ、投影画像が暗くなるという不具合がある。そこで、レーザプロジェクタ1では、GIレンズ26によりビームの出射角を制限することで、MEMSミラー41でのケラレを抑制する。
In order to increase the light utilization efficiency, it is preferable to attach a
図4は、GIレンズ26によるビーム径の調整について説明する図である。図4では、ファイバ21と、その先端に設けられたGIレンズ26を示している。図示しないが、ファイバ22についても同様である。例えば、ファイバ21のコア211の直径は3.5μmであり、出射端面でのビーム71のモードフィールド径は4μmである。GIレンズ26により、例えば、出射端面から225μmの位置で、このビームのビーム径が5.6μmになるようにする。
FIG. 4 is a diagram for explaining the adjustment of the beam diameter by the
このように、レーザプロジェクタ1では、GIレンズ26を使ってファイバ21,22の外側にビームウェストを作り、投射レンズ31に入射するときのビーム径を広げる。これにより、投射レンズ31の先でビーム径を絞れるようにする。この構成にすることで、GIレンズ26がないときと比べて、光の利用効率を20〜30%程度向上させることが可能になる。
Thus, in the
次に、レーザプロジェクタ1でのRGBレーザ光の走査方法について説明する。レーザプロジェクタ1では、投影面60上の投影領域を2つに分割し、2組のレーザ光(ビーム71,72)と2つの部分領域を対応させて走査を行う。
Next, a scanning method of RGB laser light by the
図5は、2組のビーム71,72を用いた走査方法の例を示した図である。投影面60上の投影領域は、部分領域61,62に2分割されている。走査部40は、例えば、ファイバ21からのビーム71により部分領域61を走査し、ファイバ22からのビーム72により部分領域62を走査する。図5では、ビーム71,72による走査線63を複数の矢印で示している。部分領域61,62では、予め定められた単一の走査方向に片側(unidirectional)スキャンが行われる。図5の例では、右側の部分領域61では−X方向(左向き)に、左側の部分領域62では+X方向(右向き)に、ビーム71,72の走査が行われる。図5に示したX,Y方向は、図2に示したX,Y方向に対応している。2つの部分領域61,62における走査方向は、互いに向かい合う方向である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a scanning method using two sets of
そして、走査部40は、例えばMEMSミラー41のX方向の共振駆動と連動して、走査線63の単位で部分領域61,62を交互に走査する。そのために、制御部50は、レーザ光源10から、ビーム71,72を、走査線63の単位で交互に出射させる。すなわち、制御部50は、レーザ素子11R,11G,11Bを点灯させ、レーザ素子12R,12G,12Bを消灯させることで、ビーム71により部分領域61上に1本の走査線63を描かせる。次に、制御部50は、レーザ素子11R,11G,11Bを消灯させ、レーザ素子12R,12G,12Bを点灯させることで、ビーム72により部分領域62上に1本の走査線63を描かせる。そして、制御部50は、これらを繰り返すことで、走査部40に部分領域61,62を交互に走査させる。
The
図6は、MEMSミラー41のX,Y方向の走査角α,βとレーザ光源10の点灯タイミングの関係を示したグラフである。各グラフの縦軸は走査角α,βであり、横軸は時間tである。図6に示すように、MEMSミラー41のX方向の走査角αは、共振駆動により正弦波状に時間変化し、Y方向の走査角βは、鋸波状の強制駆動により鋸波状に時間変化する。制御部50は、例えば、X方向の走査角αが増加する期間T1において、ビーム71により部分領域61上を走査させ、X方向の走査角αが減少する期間T2において、ビーム72により部分領域62上を走査させる。この制御により、図5に示した走査方法が実現される。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the scanning angles α, β in the X and Y directions of the
ただし、この走査方法では、図5に示すように、部分領域61と部分領域62の境界線L上において、部分領域61,62の間で各走査線63の位置がY方向にずれる。このずれは、部分領域61の走査線631を描くときと、これに対応する部分領域62の走査線632を描くときで、MEMSミラー41のY方向の走査角βが異なることに起因する。このずれは画像歪みの原因になるため、レーザプロジェクタ1では、このような走査線63のずれを打ち消す補正を行う。具体的には、走査線63に垂直なY方向における各走査線63の位置が2つの部分領域61,62の間で一致するように、2組のビーム71,72の出射方向に垂直な面内で、ファイバ21,22の並び方向が調整される。
However, in this scanning method, as shown in FIG. 5, the position of each
図7は、走査線63のずれの補正について説明する図である。図7に示すように、レーザプロジェクタ1では、ビーム71,72の出射方向に垂直な面内で、ファイババンドルコンバイナ27を時計回りに角度δだけ回転させる。これにより、ビーム71,72の出射方向に垂直な面内におけるファイバ21,22の出射端面の位置を変化させて、ビーム72に対するビーム71の投射点の位置を+Y方向(上向き)にずらす。すると、部分領域61の走査線631と、これに対応する部分領域62の走査線632のY方向の位置が一致する。したがって、部分領域61と部分領域62の境界線L上における各走査線63の位置ずれが打ち消される。ファイババンドルコンバイナ27の回転角度δは、通常、走査線1本分に対応する大きさの角度なので、ごく微少量である。
FIG. 7 is a diagram for explaining the correction of the shift of the
なお、図示しないが、このとき、λ/2板28の光学軸も、ファイババンドルコンバイナ27と同じ向きに角度δ/2だけ回転させる。これにより、ファイバ21,22から出射されλ/2板28を透過した各ビームがS偏光になるようにする。
Although not shown, at this time, the optical axis of the λ / 2
図8(A)および図8(B)は、レーザプロジェクタ1の走査方法と別の走査方法を比較した図である。図8(A)は、1つのビームを用いて、MEMSミラーの共振駆動に合わせて、投影領域65の全体を+X方向と−X方向に交互に双方向走査する方法を示す。また、図8(B)は、2組のビームを用いたレーザプロジェクタ1の走査方法(すなわち、図5に示した走査方法)を示す。これらの図では、各走査線の方向を矢印で示している。
8A and 8B are diagrams comparing the scanning method of the
図8(A)の双方向走査方法では、矢印で示すように、投射点が投影領域65の境界に達したときに投射点の移動方向が反転する。すなわち、投影領域65の境界でビームの折返しがある。図8(A)の双方向走査方法の場合、仮にビームが目に入ったとすると、特に折返し点ではビームが同じ点に留まる時間が長くなるため、目に負担がかかる。したがって、この折返し点での照射量を考慮したレーザ出力とする必要がある。
In the bidirectional scanning method of FIG. 8A, the movement direction of the projection point is reversed when the projection point reaches the boundary of the
これに対し、図8(B)の走査方法では、一方のビームによる投射点が中央の境界線L上に来るとそのビームは消え、他方のビームが部分領域の外側の端部に投影される。すなわち、レーザ素子11R,11G,11Bとレーザ素子12R,12G,12Bの点灯と消灯を切り替えるときに投射点の位置が不連続に飛ぶため、連続したビームの折返しがない。このため、図8(B)の走査方法は、投影領域全体を単方向に走査する方法(単方向走査方法)と等価である。また、図8(B)の走査方法では2組のビームを使用するが、これらは交互にオンオフされるため、同時に2組のビームが目に入ることはない。さらに、各部分領域では単方向走査となるため、双方向走査方法と比較して走査線の間隔の不均一性が非常に小さい。
On the other hand, in the scanning method of FIG. 8B, when the projection point by one beam comes on the center boundary line L, the beam disappears, and the other beam is projected to the outer edge of the partial region. . That is, when the
例えばクラス2以下などの同一条件で図8(A)と図8(B)の走査方法を比較した場合、図8(B)の走査方法では、目への安全性を確保した状態で、単方向走査方法と同様に高輝度化することができる。さらに、同じ走査角で図8(B)の走査方法と単方向走査方法を比較した場合、図8(B)の走査方法では、ダブルビーム走査にすることでMEMSミラー41による実効的なビームの走査範囲を拡大できるため、その拡大分だけ、全体をさらに高輝度化することが可能になる。
For example, when the scanning methods of FIGS. 8A and 8B are compared under the same conditions such as
なお、レーザプロジェクタ1では、2組のRGBレーザ光を共通の走査部40により走査したが、3組以上のRGBレーザ光を使用してもよい。また、色域を広げるために、走査部40は、R,G,Bの3色に加えて、例えばY(黄色)といった他の波長のレーザ光を含めたビームを走査してもよい。あるいは、走査部40は、単色またはスペックル低減のため10数nm以上中心波長が異なるほぼ同色のレーザ光を複数本、走査してもよい。また、波長域は可視光に限らず、走査部40は、例えば赤外レーザ光などを複数本、走査してもよい。
In the
図9は、4組のビーム71〜74を用いた走査方法の例を示した図である。図9では、投影面60上の投影領域は、部分領域61〜64に4分割されている。そして、4本のファイバ21〜24から4組のRGBレーザ光のビーム71〜74が出射され、これらのビームにより部分領域61〜64が走査される。走査部40は、例えば、ファイバ21からのビーム71により部分領域61を走査し、ファイバ22からのビーム72により部分領域62を走査し、ファイバ23からのビーム73により部分領域63を走査し、ファイバ24からのビーム74により部分領域64を走査する。図9の例でも、各部分領域61〜64では、複数の矢印で示す予め定められた単一の走査方向に、片側スキャンが行われる。そして、走査部40は、例えば、MEMSミラー41のX方向の共振駆動と連動して、走査線63の単位で、部分領域61,63と部分領域62,64を交互に走査してもよいし、部分領域61〜64を順に走査してもよい。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a scanning method using four sets of
以上説明したように、レーザプロジェクタ1では、投影領域を構成する各部分領域61,62を、その部分領域に対応するビーム71,72で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向(+X方向または−X方向)に沿って、共通の走査部40により2次元状に走査する。これにより、例えばシングルビームのときの分解能が800×600画素であったとすると、レーザプロジェクタ1では、分解能を1600×600画素に上げることができる。その際、各部分領域61,62における走査線の間隔は、ファイババンドルコンバイナ27とλ/2板28を回転させることで微調整することが可能である。
As described above, in the
また、レーザプロジェクタ1では、2本のビーム71,72を使用することにより、各ビームの走査角を実効的に広げることができる。また、GIレンズ26と投射レンズ31を用いてビーム71,72のビームウェストを投影面60の近傍に近付けることで、各投射点の大きさを縮小して、スペックルを低減させることも可能になる。その際、10数nm波長の異なるほぼ同色の単色光を組み合わせたRGBレーザ光源(各色複数)を用いれば、波長ダイバシティの効果によりさらにスペックルを低減させることが可能である。
Further, in the
レーザプロジェクタ1は、小型の装置で高精細の画像を投影できるため、ライトフィールドディスプレイなどの光学エンジン部に応用可能である。
Since the
1 レーザプロジェクタ
10 レーザ光源
20 出射部
21,21R,21G,21B,22,22R,22G,22B ファイバ
26 GIレンズ
27 ファイババンドルコンバイナ
28 λ/2板
30 屈曲部
31 投射レンズ
32 偏光ビームスプリッタ(PBS)
33 λ/4板
40 走査部
41 MEMSミラー
50 制御部
DESCRIPTION OF
33 λ / 4
Claims (7)
レーザ光源からの複数組のレーザ光を出射させる出射ステップと、
投影領域を構成する各部分領域を、前記複数組のレーザ光のうち当該部分領域に対応するレーザ光で、当該部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って、共通の走査部により2次元状に走査する走査ステップと、
を有することを特徴とする投影方法。 A projection method for projecting an image by scanning a laser beam including at least a set of red, green and blue,
An emission step of emitting a plurality of sets of laser light from the laser light source;
Each of the partial areas constituting the projection area is a laser beam corresponding to the partial area of the plurality of sets of laser lights, and a common scanning unit along a single scanning direction predetermined for each partial area. A scanning step of scanning two-dimensionally by
A projection method characterized by comprising:
前記投影領域は2つの部分領域に分割され、
前記2つの部分領域における前記走査方向は互いに向かい合う方向であり、
前記走査ステップでは、前記走査方向に沿って複数の走査線を描くように、前記走査部により前記2つの部分領域上を走査する、請求項1に記載の投影方法。 The plurality of sets of laser beams are two sets of laser beams,
The projection area is divided into two partial areas;
The scanning directions in the two partial regions are directions facing each other,
The projection method according to claim 1, wherein in the scanning step, the two partial regions are scanned by the scanning unit so as to draw a plurality of scanning lines along the scanning direction.
前記走査ステップでは、前記走査線に垂直な方向における各走査線の位置が前記2つの部分領域の間で一致するように、前記走査部により前記2組のレーザ光が走査される、請求項2または3に記載の投影方法。 In the emission step, each of the two sets of laser beams is guided by a fiber, and the two sets of laser beams are emitted from the emission end face of the fiber,
3. The scanning unit scans the two sets of laser beams so that positions of the scanning lines in a direction perpendicular to the scanning lines coincide between the two partial regions. Or the projection method of 3.
前記投射レンズに入射する前記複数組のレーザ光のビーム径が前記GIレンズにより調整される、請求項5に記載の投影方法。 A GI lens is provided at the tip of the fiber,
The projection method according to claim 5, wherein beam diameters of the plurality of sets of laser beams incident on the projection lens are adjusted by the GI lens.
複数組のレーザ光を発光するレーザ光源と、
前記複数組のレーザ光をそれぞれ導波して出射端面から出射する出射部と、
前記複数組のレーザ光のビームウェスト位置が投影領域近傍に近付くように当該レーザ光のビーム径を絞る投射レンズと、
前記投影領域を構成する各部分領域を、前記複数組のレーザ光のうち当該部分領域に対応するレーザ光で、当該部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って2次元状に走査する走査部と、
を有することを特徴とする投影装置。 A projection device that projects an image by scanning a laser beam including at least a set of red, green, and blue,
A laser light source that emits a plurality of sets of laser beams;
An emission part that guides the plurality of sets of laser beams and emits the laser light from the emission end face;
A projection lens that narrows the beam diameter of the laser light so that the beam waist position of the plurality of sets of laser light approaches the vicinity of the projection region;
Each of the partial areas constituting the projection area is two-dimensionally along a single scanning direction predetermined for each partial area with laser light corresponding to the partial area of the plurality of sets of laser lights. A scanning unit for scanning;
A projection apparatus comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014019760A JP2015148649A (en) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Projection method and projection device |
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JP (1) | JP2015148649A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2021117433A (en) * | 2020-01-29 | 2021-08-10 | 株式会社リコー | Optical scanner, display system, and movable body |
-
2014
- 2014-02-04 JP JP2014019760A patent/JP2015148649A/en active Pending
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