JP2021144147A

JP2021144147A - 投影装置

Info

Publication number: JP2021144147A
Application number: JP2020042768A
Authority: JP
Inventors: 祥治山田; Yoshiharu Yamada; 俊夫勝山; Toshio Katsuyama; 慧中尾; Akira Nakao
Original assignee: University of Fukui NUC
Current assignee: University of Fukui NUC
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-09-24
Also published as: WO2021181805A1

Abstract

【課題】レーザーディスプレイとして適切に動作する投影装置の提供。【解決手段】波長の異なる複数の光を出射する光出射部１１と、一方走査限界角から他方走査限界角まで、走査角を変更することで所定走査範囲Ａを所定方向に走査するスキャナ部１３であって、出射された光を走査方向Ｄに順に配置した状態で出力するスキャナ部１３と、スキャナ部１３の動作を制御するスキャナ制御部１７１と、光の出力を制御する発光制御部１７２と、を備え、スキャナ制御部１７１がスキャナ部１３を一方走査限界角から一方走査限界角よりも第１設定角だけ内側の走査角までの範囲に入る制御をする場合、発光制御部１７２は光の出力を止めるように制御し、スキャナ部１３が一方走査限界角よりも第１設定角だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置は、スキャナ部１３が一方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側である。【選択図】図１

Description

本発明は、投影装置に関する。

従来、レーザー光を二次元的に走査させることで使用者に画像を視認させるレーザーディスプレイが知られている。レーザーディスプレイにおいては、一般的にＲ（赤色）光源、Ｇ（緑色）光源、及びＢ（青色）光源から照射される３色の可視光が互いに近接されて、画像表示部に伝送される。画像表示部は、伝送された光を二次元的に走査することで、投影対象に映像を投影する。例えば、特許文献１には、ＲＧＢの各色に対応するレーザー光を近接させて投影する光集積回路が開示されている。

特開２０１９−３５８７６号公報

ところで、特許文献１は、レーザー光を照射する光集積回路を開示しているが、照射された光を走査する投影装置については、開示していない。そのため、引用文献１は、レーザーディスプレイとしての適切な構成を開示していない。そこで、レーザーディスプレイとして適切に動作させることが可能な装置を提供することができれば好適である。

本発明は、レーザーディスプレイとして適切に動作する投影装置を提供することを目的とする。

本発明は、投影対象に向けて投射される光を走査する投影装置であって、波長の異なる複数の光を出射する光出射部と、一方走査限界角から他方走査限界角まで、走査角を変更することで所定走査範囲を所定方向に走査するスキャナ部であって、出射された光を走査方向に順に配置した状態で出力するスキャナ部と、前記スキャナ部の動作を制御するスキャナ制御部と、光の出力を制御する発光制御部と、を備え、前記スキャナ制御部が前記スキャナ部を前記一方走査限界角から前記一方走査限界角よりも第１設定角だけ内側の走査角までの範囲に入る制御をする場合、前記発光制御部は光の出力を止めるように制御し、前記スキャナ部が前記一方走査限界角よりも前記第１設定角だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置は、前記スキャナ部が前記一方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側である投影装置に関する。

また、前記スキャナ制御部が前記スキャナ部を前記他方走査限界角から前記他方走査限界角よりも第２設定角だけ内側の走査角までの範囲に入る制御をする場合、前記発光制御部は、光の出力を止めるように制御し、前記スキャナ部が前記他方走査限界角よりも前記第２設定角だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置は、前記スキャナ部が前記他方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側であってもよい。

また、前記スキャナ制御部は、前記一方走査限界角から前記他方走査限界角に向けて前記スキャナ部の走査方向を反転し、前記発光制御部は、前記第１設定角において、光の出力を開始するように制御してもよい。

また、前記スキャナ制御部は、前記他方走査限界角から前記一方走査限界角に向けて前記スキャナ部の走査方向を反転し、前記発光制御部は、前記第２設定角において、光の出力を開始するように制御してもよい。

本発明によれば、レーザーディスプレイとして適切に動作する投影装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る投影装置を示す概略図である。一実施形態の投影装置の走査範囲を示す概略図である。一実施形態の投影装置の動作の流れを示すフローチャートである。他の実施形態に係る投影装置の集光レンズ及びスキャナ部を示す概略図である。

以下、本発明の投影装置１に係る一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
まず、投影装置１の概要について説明する。

投影装置１は、例えば、投影対象Ｔ（例えば、スクリーン）に対して所定の像を投影するレーザーディスプレイである。具体的には、投影装置１は、投影対象Ｔに所定の光を照射するとともに、照射する光を所定の方向に走査することで、投影対象Ｔ上に所定の像を描画する。

以下の実施形態において、投影装置１は、走査方向Ｄに対して並べて配置される複数の光を走査する。また、投影装置１は、所定の角度範囲（例えば、角度２θ、すなわち、＋θから−θ）を走査する。投影装置１は、所定の走査角度範囲で光の照射を停止する。これにより、以下の実施形態に係る投影装置１は、レーザーディスプレイとしての適切な動作を図ったものである。ここで、所定の走査角度範囲とは、走査限界角に隣接し、予め定められた角度幅を持つ走査範囲をいう。

投影装置１は、図１に示すように、光出射部１１と、集光レンズ１２と、スキャナ部１３と、描画データ格納部１４と、角度情報格納部１５と、描画データ取得部１６と、動作制御部１７と、を備える。投影装置１は、例えば、投影対象Ｔの走査範囲Ａを直線状に往復しながら横断するように光を走査する。また、投影装置１は、走査方向Ｄに順に配置される複数の光（例えば、Ｂ（青色）光、Ｒ（赤色）光、及びＧ（緑色）光）を走査する。

光出射部１１は、所定の像を投影するための所定の光を出射する装置である。光出射部１１は、波長の異なる複数の光を出射する。本実施形態において、光出射部１１は、例えば、Ｒ（赤色）光源１１１、Ｂ（青色）光源１１２、及びＧ（緑色）光源１１３として、赤色半導体レーザー、青色半導体レーザー、及び緑色半導体レーザーを有する。また、光出射部１１は、それぞれの光源から出射された光を出力ポート１１７に導く光導波路１１４，１１５，１１６を有する。光出射部１１は、Ｒ光、Ｂ光、及びＧ光のそれぞれに対応する出力ポート１１７を有する。すなわち、出力ポート１１７は、３つ存在する。光導波路１１４，１１５，１１６は、Ｒ光、Ｂ光、及びＧ光を対応する出力ポート１１７に導く。また、Ｒ光、Ｂ光、及びＧ光のそれぞれに対応する出力ポート１１７のうち、隣接する出力ポートは、５〜５０μｍの間隔で配置される。これにより、光出射部１１は、出力ポート１１７からＲ光、Ｂ光、及びＧ光を出射する。光出射部１１は、Ｒ光源１１１、Ｂ光源１１２、及びＧ光源１１３のそれぞれから出射するＲ光、Ｂ光、及びＧ光を所定の幅（例えば、幅２ｄ）に近接させて出射する。具体的には、光出射部１１は、例えば、Ｒ光、Ｂ光、及びＧ光の光軸の間隔を５〜２００μｍの幅に近接させて出射する。また、本実施形態において、光出射部１１は、出射方向に交差する幅方向の一方向において、Ｇ光、Ｒ光、及びＢ光の順に配置された光を出射する。

集光レンズ１２は、例えば、凸レンズである。集光レンズ１２は、光出射部１１から出射される光の出射方向に配置される。集光レンズ１２は、平行な複数の光の光軸の向きを集光する方向に変換する。集光レンズ１２は、例えば、平行なＲ光、Ｂ光、及びＧ光の光軸を後述するスキャナ部１３の照射面に集光する方向に変換する。また、集光レンズ１２は、入射した複数の光をコリメートビームに変更して出力する。集光レンズ１２は、例えば、コーン状に拡がるＢ光、Ｒ光、及びＧ光をコリメートビームに変更して出力する。

スキャナ部１３は、出射した光を投影対象Ｔに対して走査する装置である。スキャナ部１３は、集光レンズ１２に対して光の出射方向に重なる位置に配置される。スキャナ部１３は、例えば、ＭＥＭＳ走査ミラーを使用することで、集光レンズ１２から出射される光の照射方向（走査位置）を変更可能に構成される。すなわち、スキャナ部１３は、所定の軸心周りに反射鏡１３１を往復回転振動させて、投影対象Ｔに対して出射した光を走査可能に構成される。スキャナ部１３は、一方走査限界角（反射鏡１３１と投影対象Ｔを結ぶ線であって、走査角の中央を示す線Ｌから角度−θ）から他方走査限界角（線Ｌから角度＋θ）まで、走査角を変更することで、所定走査範囲Ａを所定方向に走査する。

また、スキャナ部１３は、出射した光を走査方向Ｄに順に配置した状態で出力する。スキャナ部１３は、例えば、、走査方向Ｄに沿って光を走査する。本実施形態において、スキャナ部１３は、図１に示すように、投影対象Ｔの平面上の一方向（Ｘ軸方向）を走査方向Ｄとして光を走査する。また、スキャナ部１３は、走査方向Ｄに沿って、Ｂ光、Ｒ光、及びＧ光の順に配置した光を出射する。すなわち、スキャナ部１３は、入射した光の順序を反転させて出力する。また、本実施形態において、スキャナ部１３は、ＭＥＭＳ走査ミラーの走査範囲Ａを繰り返し走査する。なお、スキャナ部１３は、Ｙ軸方向を走査方向とする他のＭＥＭＳ走査ミラーを含むが、図１から図３には図示されない。

描画データ格納部１４は、例えば、ハードディスク又はメモリ等の記憶媒体である。描画データ格納部１４は、所定の像を描画するための描画データを格納する。描画データ格納部１４は、例えば、所定の像を描画するために出射される光を生成するための各光源の発光データに関する情報を描画データとして格納する。

角度情報格納部１５は、例えば、ハードディスク又はメモリ等の記憶媒体である。角度情報格納部１５は、所定の角度範囲で走査方向Ｄに走査される光のうち、中央に配置される光の第１設定角Δθを角度情報として格納する。ここで、第１設定角Δθは、例えば、一方走査限界角−θ及び他方走査限界角＋θの間の走査範囲のうち、複数の光の全てを照射可能な角度への走査範囲の限定、又は角度範囲２θを往復する走査によって過密に照射される折り返し範囲を除去する目的等により予め決定される。そして、第１設定角Δθは、後述するように、光出射部１１の出力ポートから出射する光束の幅２ｄ（例えば、１５μｍ）を満足する光出射部１１の選択に用いられる。

描画データ取得部１６は、例えば、ＣＰＵが動作することにより実現される。描画データ取得部１６は、描画データ格納部１４に格納されている描画データを取得する。

動作制御部１７は、例えば、ＣＰＵが動作することにより実現される。動作制御部１７は、光出射部１１の動作を制御するとともに、スキャナ部１３の動作を制御する。これにより、動作制御部１７は、所定走査範囲Ａへの光の照射を制御する。本実施形態において、動作制御部１７は、スキャナ制御部１７１と、発光制御部１７２と、を備える。

スキャナ制御部１７１は、スキャナ部１３の走査角を制御する。スキャナ制御部１７１は、例えば、ＭＥＭＳ走査ミラーの動作を制御することで、反射鏡１３１の反射面の向きを制御する。また、スキャナ制御部１７１は、ＭＥＭＳ走査ミラーの回転位置（回転角度）の情報を出力可能に構成される。

発光制御部１７２は、取得された描画データに基づいて光出射部１１のＲ光源、Ｇ光源、及びＢ光源の発光を制御する。発光制御部１７２は、例えば、時系列的に各光源の発光状態を規定する描画データに基づいて、Ｒ光源、Ｇ光源、及びＢ光源の発光を制御する。また、発光制御部１７２は、例えば、スキャナ制御部１７１から供給されるスキャナ部１３の回転位置（回転角度）の情報に基づいて各光源の発光を制御する。光ビーム走査角度が、一方走査限界角（−θ）から一方走査限界角よりも第１設定角（＋Δθ）だけ内側の走査角までの範囲に入る期間、発光制御部１７２は、光の出力を止めるように各光源を制御する。

光出射部１１の出力ポートから出射する光束の幅２ｄは、スキャナ部１３が一方走査限界角（−θ）よりも第１設定角（＋Δθ）だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側（後ろ）の光の位置が、スキャナ部１３が一方走査限界角（−θ）に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側であるように設定される。ここで、第１設定角Δθと、幅ｄは、集光レンズ１２の焦点距離をｆとして、
Δθ＞２ＡｒｃＴａｎ（ｄ／ｆ）
の式で設定される。例えば、２ｄ＝１５μｍ、ｆ＝１０ｍｍである場合、Δθ＞５°である。

また、光出射部１１の出力ポートから出射する光束の幅２ｄは、スキャナ部１３が他方走査限界角（＋θ）よりも第２設定角（−Δθ）だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置が、スキャナ部１３が他方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側であるように設定される。すなわち、第１設定角及び第２設定角の絶対値は等しい値になる。

次に、投影装置１の動作について図３を参照して説明する。
まず、描画データ取得部１６は、描画データ格納部１４から描画データを取得する（ステップＳ１）。発光制御部１７２は、取得された描画データに基づいて、光出射部１１に光を照射させる（ステップＳ２）。

スキャナ部１３は、集光レンズ１２を介して照射された光を投影対象Ｔに向けて反射する。スキャナ制御部１７１は、ＭＥＭＳ走査ミラーを動作させ、反射鏡１３１を回動させる。これにより、スキャナ部１３は、投影対象Ｔに向けて像を走査する（ステップＳ３）。スキャナ部１３は、図２に示すように、出射された光を走査方向Ｄに順に配置した状態で偏向出力する。具体的には、スキャナ部１３は、走査方向Ｄに沿って、Ｂ光、Ｒ光、及びＧ光を順に配置した状態で出力する。すなわち、スキャナ部１３は、一方の走査方向Ｄにおいて、所定の投影位置に対して、Ｂ光、Ｒ光、及びＧ光を順に照射させる。また、スキャナ部１３は、他方の走査方向Ｄにおいて、所定の投影位置に対して、Ｇ光、Ｒ光、及びＢ光の順に照射させる。また、スキャナ制御部１７１は、反射鏡１３１の回転位置（回転角度）を発光制御部１７２に送る（ステップＳ４）。

発光制御部１７２は、反射鏡１３１の回転位置に応じて、光出射部１１による光の照射を制御する。発光制御部１７２は、例えば、角度情報格納部１５から角度情報を読みだして、光出射部１１の照射をオン又はオフする角度（第１設定角）を取得する。発光制御部１７２は、反射鏡１３１の回転位置が第１設定角に到達しているか否かを判断する（ステップＳ５）。反射鏡１３１の回転位置が第１設定角に到達している場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、処理は、ステップＳ６に進む。一方。反射鏡１３１の回転位置が第１設定角に到達していない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、処理は、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ６において、発光制御部１７２は、光出射部１１による光の出射を停止する。発光制御部１７２は、例えば、図２に示すように、所定の走査方向Ｄにおいて中心に位置する光の照射限界（一方走査限界角（−θ）＋第１設定角（Δθ））として、照射限界内に光の照射を制限する。

すなわち、発光制御部１７２は、所定の走査方向Ｄにおいて中心に位置する光の照射限界となる角度を出射停止角度として、光出射部１１を制御する。本実施形態において、走査される光が所定の走査方向Ｄに沿って、Ｂ光、Ｒ光、及びＧ光の順に配置されている場合、発光制御部１７２は、結果的に、Ｒ光の到達限界をＢ光及びＧ光の照射限界として光出射部１１における光源の発光を制御することになる。すなわち、発光制御部１７２は、一方走査限界角＋第１設定角（−θ＋Δθ）の走査角で光出射部１１による光の出射を停止することにより、実質的には、一方走査限界角−θにおけるＧ光よりも内側で光の出射を停止することになる。なお、スキャナ部１３が一方走査限界角から他方走査限界角に向けて光を走査する場合、発光制御部１７２は、他方走査限界角（＋θ）と第２設定角（−Δθ）とを用いて、上記と同様に光出射部１１による光の出射を停止する。これにより、本フローによる処理は、終了する。

このように出力ポートの間隔２ｄが設定されることによって、Ｒ・Ｇ・Ｂいずれかの光が到達できない領域は、投影装置１では利用されなくなる。Ｒ光やＧ光の到達できない領域が投影装置１として利用された場合、当該領域における描画データの再現性が低下する。一実施形態の投影装置１によれば、この様な領域が利用されないので、描画データの再現性の良好な投影装置１を提供できる。

以上、一実施形態に係る投影装置１によれば、以下の効果を奏する。
（１）投影対象Ｔに向けて投射される光を走査する投影装置１であって、波長の異なる複数の光を出射する光出射部１１と、一方走査限界角から他方走査限界角まで、走査角を変更することで所定走査範囲Ａを所定方向に走査するスキャナ部１３であって、出射された光を走査方向Ｄに順に配置した状態で出力するスキャナ部１３と、スキャナ部１３の動作を制御するスキャナ制御部１７１と、光の出力を制御する発光制御部１７２と、を備え、スキャナ制御部１７１がスキャナ部１３を一方走査限界角から一方走査限界角よりも第１設定角だけ内側の走査角までの範囲に入る制御をする場合、発光制御部１７２は光の出力を止めるように制御し、スキャナ部１３が一方走査限界角よりも第１設定角だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置は、スキャナ部１３が一方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側である。
これにより、走査方向Ｄにおいて、最も後方に配置される光の到達限界角度を第１設定角として、第１設定角を超える走査では光出射部１１による光の出射を停止することができる。光の出射を停止することで、第１設定角よりも先では投影対象Ｔに光が照射されない。したがって、全ての光を照射可能な範囲以外では光を照射しないので、レーザーディスプレイとして適切に動作する投影装置１を提供することができる。

（２）スキャナ制御部１７１がスキャナ部１３を他方走査限界角から他方走査限界角よりも第２設定角だけ内側の走査角までの範囲に入る制御をする場合、発光制御部１７２は、光の出力を止めるように制御し、スキャナ部１３が他方走査限界角よりも第２設定角だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置は、スキャナ部１３が他方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側である。これにより、走査方向Ｄが逆の場合であっても、レーザーディスプレイとして適切に動作する投影装置１を提供することができる。

（３）スキャナ制御部１７１は、一方走査限界角から他方走査限界角に向けてスキャナ部１３の走査方向Ｄを反転し、発光制御部１７２は、一方走査限界角から第１設定角だけ走査した角度において、光の出力を開始するように制御する。これにより、一方向走査限界角からの走査角が第１設定角以上になった場合、発光制御部１７２は、再度、光の出力を開始させる。したがって、よりレーザーディスプレイとして適切に動作する投影装置１を提供することができる。

（４）スキャナ制御部１７１は、他方走査限界角から一方走査限界角に向けてスキャナ部１３の走査方向Ｄを反転し、
発光制御部１７２は、他方走査限界角から第２設定角だけ走査した角度において、光の出力を開始するように制御する。これにより、他方走査限界角からの走査角が第２設定角以上になった場合、発光制御部１７２は、再度、光の出力を開始させる。したがって、よりレーザーディスプレイとして適切に動作する投影装置１を提供することができる。

以上、本開示の投影装置１の好ましい各実施形態につき説明したが、本開示は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、上記実施形態の他の形態として、図４に示すように、光導波路１１４，１１５,１１６を用いずに、Ｒ光源１１１、Ｂ光源１１２、及びＧ光源１１３からの光出力を集光レンズ１２に直接結合してもよい。

また、上記実施形態において、複数の光について、Ｒ光、Ｂ光、及びＧ光を一例として挙げたが、これに制限されない。光出射部１１は、他の複数の可視光を出射してもよい。

また、上記実施形態において、光出射部１１は、出射される光を遮蔽する遮蔽部（図示せず）を備えてもよい。遮蔽部は、走査方向Ｄにおいて、走査範囲Ａの外部に対応する光ビームが投射対象に到達しないように構成されている。

また、上記実施形態において、光出射部１１は、出射する複数の光の間の幅を適宜異ならせて光を出射する構成であってもよい。光出射部１１は、例えば、出射する光の波長に合わせて、隣接する他の光との距離を異ならせて光を出射する構成であってもよい。

また、上記実施形態において、集光レンズは、凸レンズとして説明されたがこれに制限されない。集光レンズは、集光素子（例えば、回折格子）等であってもよい。

また、上記実施形態において、スキャナ部１３は、Ｘ軸方向に走査する例を説明したがこれに制限されない。スキャナ部１３は、投影対象ＴのＹ軸方向に走査するようにしてもよい。また、スキャナ部１３は、Ｘ軸方向に走査する反射鏡１３１と、Ｙ軸方向に走査する反射鏡（図示せず）とを組み合わせて、Ｘ軸及びＹ軸の双方に走査可能であってもよい。

１投影装置
１１光出射部
１３スキャナ部
１７１スキャナ制御部
１７２発光制御部
Ａ走査範囲
Ｄ走査方向
Ｔ投影対象

Claims

投影対象に向けて投射される光を走査する投影装置であって、
波長の異なる複数の光を出射する光出射部と、
一方走査限界角から他方走査限界角まで、走査角を変更することで所定走査範囲を所定方向に走査するスキャナ部であって、出射された光を走査方向に順に配置した状態で出力するスキャナ部と、
前記スキャナ部の動作を制御するスキャナ制御部と、
光の出力を制御する発光制御部と、
を備え、
前記スキャナ制御部が前記スキャナ部を前記一方走査限界角から前記一方走査限界角よりも第１設定角だけ内側の走査角までの範囲に入る制御をする場合、前記発光制御部は光の出力を止めるように制御し、
前記スキャナ部が前記一方走査限界角よりも前記第１設定角だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置は、前記スキャナ部が前記一方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側である投影装置。
前記スキャナ制御部が前記スキャナ部を前記他方走査限界角から前記他方走査限界角よりも第２設定角だけ内側の走査角までの範囲に入る制御をする場合、前記発光制御部は、光の出力を止めるように制御し、
前記スキャナ部が前記他方走査限界角よりも前記第２設定角だけ内側の走査角に設定されている場合における最も外側の光の位置は、前記スキャナ部が前記他方走査限界角に設定されている場合における最も内側の光の位置よりも内側である請求項１に記載の投影装置。
前記スキャナ制御部は、前記一方走査限界角から前記他方走査限界角に向けて前記スキャナ部の走査方向を反転し、
前記発光制御部は、前記一方走査限界角から前記第１設定角だけ走査した角度において、光の出力を開始するように制御する請求項２に記載の投影装置。
前記スキャナ制御部は、前記他方走査限界角から前記一方走査限界角に向けて前記スキャナ部の走査方向を反転し、
前記発光制御部は、前記他方走査限界角から前記第２設定角だけ走査した角度において、光の出力を開始するように制御する請求項２又は３に記載の投影装置。