JP2023521710A - レーザ効率および眼の安全性を向上させたニアアイディスプレイ - Google Patents

Abstract

視聴者に画像を表示するためのニアアイディスプレイは、向上させたレーザ効率および向上させた眼の安全性を有する。ディスプレイは、１つ以上のレーザスポットを生成するレーザ光源と、画像フィールドにわたってレーザスポットを走査するスキャンドライバと、を含む。電気エネルギー消費量は、３つの出力レベル（ゼロ近傍レベル、閾値近傍レベル、およびレーザ発振レベル）でレーザ光源を変調すること、およびその変調をスキャンドライバと同期させることによって、最小限に抑えられる。別の実施形態では、レーザモジュールは、画像フィールド上の重複しない線を走査する２つ以上のレーザスポットを生成する。走査は、走査不具合が発生した場合でも、視聴者の眼における光強度が眼の安全性レベルを超えないように設定されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、以下の一般的に所有されている米国仮特許出願に関するものであり、これらの優先権を主張しており、これらのすべては、本出願と同じ発明者によるものである。２０２０年４月２０日に出願され、「Ｎｅａｒ－ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙ ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｅｙｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ」と題された米国仮特許出願第６３／０１２，２８３号、および２０２０年４月２７日に出願され、「Ｌａｓｅｒ Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ」と題された米国仮特許出願第６３／０１５７２６号。上記仮出願の開示は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、ニアアイディスプレイ、特に、レーザ効率および眼の安全性を向上させたニアアイディスプレイに関する。

レーザ照明は、屋外の風景に匹敵する輝度の仮想画像を提供するために、ニアアイディスプレイで使用されることが多い。カラーディスプレイでは、画像は、赤、緑、および青のレーザによって生成される輝点によって形成される。このスポットは、アクチュエータによって制御される１つまたは２つのミラーによって視野（ＦＯＶ）にわたって走査される。

このようなニアアイディスプレイの設計には、２つの対立する輝度要件が存在する。一方では、走査されたスポットの輝度は、実世界の風景を背景に画像が見えるように十分に高い必要がある。他方、観察者の眼に入る合成された光強度が眼の安全限度内にあるように、輝度は十分に低い必要がある。この対立は、特に、人間の眼が特に敏感な青色光の波長について当てはまる。

バッテリ駆動ニアアイディスプレイに関してさらに考慮することは、十分なレーザ照明を提供するために必要な電力を低減することである。レーザ光パルスは、レーザ共振空洞が、レーザドライバによって空洞内の内部電力損失を超えるレーザ発振閾値レベルまで励起またはポンピングされる場合に照射される。レーザ光パルスの持続時間は、典型的には、パルスを励起するためにドライバが必要とする合計時間よりもはるかに短い。この時間は、達成可能なパルス／秒の単位のパルス繰り返し率を制限する。

高いパルス繰り返し率を達成する１つの方法は、共振空洞をレーザ発振閾値のすぐ下の連続励起状態に維持することである。しかしながら、この方法は、レーザドライバの連続的な動作および大量の電気エネルギーの消費を必要とする。

本発明は、眼の安全性を確保し、電気エネルギーを節約しながら、明るい仮想画像を提供するニアアイディスプレイを提供する。

本開示の主題の一態様によれば、画像を視聴者に表示するためのニアアイディスプレイが提供される。本ディスプレイは、少なくとも３つのレーザスポットを生成するレーザモジュールを制御するレーザドライバと、画像フィールド内でレーザスポットを移動させるスキャンモジュールと通信するスキャンドライバと、を含む。レーザドライバは、ベースライン出力レベル、閾値近傍出力レベル、およびレーザ発振出力レベルによって特徴付けられる出力変調を提供する。出力変調のタイミングは、スキャンドライバと同期され、レーザスポットの位置不確定性を特徴付ける１つ以上の不確定性楕円との画像パターンの畳み込みによって決定される。

いくつかの態様によれば、出力変調のタイミングは、ニアアイディスプレイの電気エネルギー消費量を最小限に抑えるように設定される。

いくつかの態様によれば、ディスプレイは、画像生成器と、少なくとも２つの照明コントローラと、を有するコントローラを含む。

いくつかの態様によれば、少なくとも２つの照明コントローラは、出力変調のタイミングをスキャンドライバおよび画像生成器と同期させるように構成される。

本開示の主題の別の態様によれば、画像を視聴者に表示するためのニアアイディスプレイが提供される。本ディスプレイは、少なくとも３つの重複していないレーザスポットを生成するレーザモジュールであって、少なくとも３つの重複していないレーザスポットのそれぞれが、視聴者の眼に入射する見かけ上の光強度を生成する、レーザモジュールと、少なくとも２つの独立した走査方向に画像フィールド内でレーザスポットを移動させるスキャンモジュールと通信するスキャンドライバと、を含む。さらに、レーザスポットは、スキャンモジュールが正常に機能中および／またはレーザスポットが走査方向のうちのいずれか一方向または全方向に移動できないスキャンモジュールの不具合中に、重複しない線を横断する。

いくつかの態様によれば、レーザスポットの少なくとも２つは、異なる光波長を有する。

いくつかの態様によれば、レーザスポットは、走査方向のうちの１つに対して実質的に平行または斜めの角度である１つ以上の線に配置される。

いくつかの態様によれば、スキャンモジュールが正常に機能中および／またはレーザスポットが走査方向のうちのいずれか一方向または全方向に移動できないスキャンモジュールの不具合中に、レーザスポットの見かけ上の光強度のどのような組み合わせも、所定の眼の安全レベルを超えることはない。

いくつかの態様によれば、スキャンモジュールは、共振スキャナと、リニアスキャナと、を含む。

いくつかの態様によれば、ディスプレイは、共振スキャナの位置を測定するセンサを含む。

いくつかの態様によれば、スキャンモジュールは、２軸ミラーおよび２軸アクチュエータを含む。

本発明は、添付の図面を参照しながら単なる例として本明細書に記載される。
本発明の一実施形態による、ニアアイディスプレイの例示的な光学レイアウトである。 本発明の一実施形態による、例示的なレーザ出力変調を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、例示的なレーザ出力変調を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、例示的なレーザ出力変調を示すグラフである。 本発明による、例示的な画像フィールドを走査する場合のレーザ出力変調のタイミングを示す図である。 本発明による、例示的な画像フィールドを走査する場合のレーザ出力変調のタイミングを示す図である。 本発明による、例示的な画像フィールドを走査する場合のレーザ出力変調のタイミングを示す図である。 本発明による、例示的な画像フィールドを走査する場合のレーザ出力変調のタイミングを示す図である。 本発明の一実施形態による、第１の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第１の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第１の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第１の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第２の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第２の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第２の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、第２の３スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、例示的な６スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、例示的な６スポット走査方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、例示的な６スポット走査方法を示す図である。 本発明のレーザ出力変調および６スポット走査方法を使用する、ニアアイレーザディスプレイ用コントローラの例示的なブロック図を示す。

本発明は、複数の異なる態様を含み、各態様は、レーザ照明を使用するニアアイディスプレイの実施に関連する課題に対処し、顕著な利点を提供するために個別にまたは協働するように組み合わされて効果的に使用することができる。本発明によるニアアイレーザディスプレイの原理および動作は、図面および付随する説明を参照することにより、より良く理解され得る。

図１は、本発明によるニアアイディスプレイ１００の例示的な光学レイアウトを示す。照明光学モジュール１０４は、レーザドライバ１０８によって強度が制御される、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）とラベル付けされた３つのレーザ光源を有するレーザモジュール１０９を含む。レーザ光源は、３つの発散レーザ光線を発生させ、これらのレーザ光線はミラー１２１によって反射され、レンズ１２２によって屈折されながら、異なる経路に沿って伝播し、幾何学的に合成される。合成された光線は、スキャンドライバ１１２によってリアルタイムに制御されるスキャンモジュール１２３によって２つの直交方向に走査される。スキャンモジュール１２３は、図１に示されるように、共振スキャナ１２４およびリニアスキャナ１２５からなってもよく、または代替的に、２軸ミラーおよび２軸アクチュエータからなってもよい。共振スキャナ１２４は、一般に、走査中のレーザスポット位置の正確な測定を可能にする位置センサを含む。撮像レンズ１２６は、走査された光線を導波路瞳孔１２７内に結合するために、瞳孔撮像を提供する。レーザドライバ１０８およびスキャンドライバ１１２は、投影光学モジュール１２８によって視聴者の眼１２９に投影される画像を生成するために、コントローラ（図７に示される）によって同期される。

レーザ効率を向上させるためのレーザ出力変調
図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、本発明による例示的なレーザ出力変調を示すグラフを示す。図２Ａは、（ａ）レーザ発振を発生させる閾値電流がゼロであり、（ｂ）レーザドライバのタイミング精度がぴったりである、すなわち、レーザディスプレイ画像フィールド内の可視画像パターンを生成することが必要とされる時点でレーザパルスが正確にトリガされる、「理想的な」状況をこの場合仮定して、縦軸がレーザ出力で横軸が時間のグラフを示す。この理想的な状況において、レーザドライバは、時間２ＤＳから時間２ＤＥまで動作すればよいであろう。

図２Ｂは、タイミングの不正確さを考慮した時間的余裕を含む、レーザ出力をゼロでないレーザ発振閾値レベルまたはそのすぐ下に維持するための例示的なレーザ出力変調のグラフを示す。閾値を維持するためのレーザ出力は、時間１ＴＳ（「閾値開始」）で開始され、時間１ＴＬで安定する。時間１ＴＬＥは、閾値のポンピングの終了に対応する。ポンピングなしでは、レーザ出力は衰えることになり、１ＴＥの時点でその開始レベルに至る。簡潔にするために、立ち上がり時間（１ＴＬ－１ＴＳ）は、減衰時間（１ＴＥ－１ＴＬＥ）とほぼ等しいように示される。閾値時間間隔（１ＴＬＥ－１ＴＬ）の大きさは、レーザドライバ１０８によるレーザ出力変調パラメータの計算時におけるレーザスポットの予測位置の推定精度に依存する。（共振スキャナ１２４に搭載された位置センサによって提供されるレーザスポットの正確な位置測定は、一般に、レーザドライバ変調計算の終わりの方にのみ利用可能であるため、予測が必要である。）さらに、隣接するレーザパルスは、パルス間に実質的な時間間隔がある場合にのみ減衰する一定の連続した閾値駆動を生成する。

図２Ｃは、本発明の原理による、レーザパルスを生成するための例示的なレーザ出力変調のグラフを示す。最適出力変調２０７は、実線の曲線によって表され、この曲線は、本質的に、図２Ａおよび図２Ｂのグラフの重ね合わせである。２Ｂにおける平坦域は、最適な出力変調２０７を達成することなく、破線プロファイル２０５によって示されるように、２Ａにおけるピークに対してずれてもよい。変調２０７は、ベースライン出力レベル２０７Ａ、閾値近傍出力レベル２０７Ｂ、およびレーザ発振出力レベル２０７Ｃの３つのレーザ出力レベルによって特徴付けられる。閾値近傍レベル出力レベル２０７Ｂは、一点鎖線で示される閾値レベルをわずかに下回っている。

レーザドライバによって供給される総電気エネルギーは、網掛け領域２０３を含まない図２Ｃの実線の曲線の下の面積に比例する。従来技術のレーザ出力変調方式によって消費されるエネルギーは、レーザ発振閾値をちょうど下回る連続励起状態で共振空洞を維持するため、これらの網掛け領域も含む。本発明のレーザ出力変調は、従来技術よりもタイミングの点でやや複雑であるが、はるかにエネルギー効率は高い。この特徴は、バッテリ式ニアアイディスプレイにとってかなり重要である。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄは、本発明による、例示的な画像フィールドを走査する場合のレーザ出力変調のタイミングを説明する図を示す。図３Ａでは、画像フィールド３４６が、レーザスポット３４２によって走査され、その動きは、スキャンドライバ１１２によって制御されている。スポットは、矢印３４５の方向に移動し、画像フィールド３４６全体を含むスキャンパターンを形成する。

図３Ｂは、画像フィールド３４６内の黒い三角形によって表される例示的な画像パターン３４７の走査を示す。レーザドライバ１０８は、レーザ光線が画像パターン３４７の内部にわたって走査する間、レーザ発振閾値レベルを超えてレーザ出力を上昇させる。先行技術のレーザ出力変調方式では、レーザドライバ１０８は、レーザ出力の閾値レベルを維持する一方、レーザスポットは、画像フィールド３４６の白い領域にわたっても走査するため、結果として、電力の無駄になる上に、レーザモジュールの過度な加熱を招く恐れもある。

図３Ｃは、本発明に従ってレーザ出力変調のタイミングを決定するための不確定性楕円３００Ａおよび３００Ｂを示す。楕円は、画像フィールド３４６内のスポット走査線３４４として、それぞれ、閾値時間１ＴＳおよびレーザ開始時間２ＤＳにおけるレーザスポット位置の不確定性を表す。楕円は、共振スキャナ１２４の走査方向とほぼ一致するＸ方向に細長い。この方向の走査運動は、リニアスキャナ１２５の走査運動と比較して非常に急速である。楕円の寸法は、レーザ出力変調の立ち上がり時間（１ＴＬ－１ＴＳ）および減衰時間（１ＴＥ－１ＴＬＥ）の要因ともなる。

図３Ｄは、例示的な画像パターン３４７を走査する場合の本発明のレーザ出力変調のタイミングを示す。線３４５は、レーザスポットによって走査される線を示す。形状３０２Ａおよび３０２Ｂは、それぞれ、不確定性楕円３００Ａおよび３００Ｂを有する例示的な画像パターン３４７の畳み込みを表す。レーザスポットの位置は、対応するレーザ出力変調時間－１ＴＳ、２ＤＳ、２ＤＥ、１ＴＬＥおよび１ＴＥ－で示される。これらの変調時間は、レーザモジュールが走査と合わせて画像パターン３４７を確実に照射しながら、ニアアイディスプレイによる電気エネルギー消費量を最小限に抑える。

眼の安全性を向上させた走査方法
ニアアイディスプレイにおいて、レーザ生成画像の輝度は、一般に、屋外昼間輝度とほぼ同じ輝度、典型的には約５０００ＮＩＴを有し、１ＮＩＴは、１平方メートル当たり１カンデラの白色光強度に等しい。

以下の説明では、以下の３つのケースのそれぞれについて、スキャンモジュール１２３の不具合の眼の安全性に対する影響を提示する。
（ａ）共振スキャナ１２４およびリニアスキャナ１２５が動作しない。
（ｂ）リニアスキャナのみが動作しない。
（ｃ）共振スキャナのみが動作しない。

ケース（ａ）の場合、レーザスポットは単一の画像画素上の位置に固定されたままであり、その画素における見かけ上の光強度は５０００ＮＩＴ×Ｎに上昇し、Ｎは画像画素数である。例えば、Ｎ＝８００×６００＝４８００００の場合、強度は２．４×１０⁹ＮＩＴに上昇する。この強度は、太陽を直接見つめたときに網膜に入射する輝度よりほぼ１．５倍大きい。このような高い強度は、明らかに視聴者の眼に有害である。少なくとも、視聴者は、まばたきを行い、最終的にはニアアイディスプレイを完全に取り除くことによって対応するであろう。

ケース（ｂ）の場合、リニアスキャナ１２５は動作不能であり、共振スキャナ１２４は正常に動作し続ける。この場合の見かけ上の光強度の計算は、表１に与えられる例示的な画像フィールド走査パラメータについて、以下に提示される。提示された計算は近似であり、説明のために簡略化されていることに留意されたい。眼の安全規制を確実に遵守するためには、一般的により多くの関連する計算が必要である。

共振スキャンミラーの周波数ｆ_Mは、双方向照明およびスキャンオーバーヘッドなしの仮定のもとで計算される。共振スキャナ１２４は、２７マイクロ秒に等しい時間Ｔ_L内で線上を走査するが、ラインスキャナ１２５が動作しないため、同じ線が連続して何度も走査される。１画素当たりの見かけ上の強度は、２．４×１０⁹ＮＩＴ／Ｎ_P＝３×１０⁶ＮＩＴに等しい。この見かけ上の強度は、太陽の強度よりもはるかに低く、眼に損傷を与えることはなく、数マイクロ秒の時間にわたって熱エネルギーを散逸させるが、依然として高めであり、視聴者にとっては不快である。

ケース（ｃ）の場合、共振スキャナ１２４は動作不能であり、リニアスキャナ１２５は、正常に動作し続ける。この場合、レーザスポットは、ある線から次の線へとゆっくりと移動するが、各線の同じ水平位置に１６ミリ秒のＴ_Fに等しい相対的に長い時間留まる。スポットが非常にゆっくりと動いているため、眼に入射する見かけ上の強度は、ケース（ａ）の場合とほぼ同じであり、すなわち、２．４×１０⁹ＮＩＴである。したがって、ケース（ａ）および（ｃ）の場合、スキャナの不具合は、ニアアイディスプレイ視聴者の眼の安全性を脅かし、ケース（ｂ）の場合、不具合は、眼の不快感を引き起こす可能性があるが、損傷を引き起こす恐れはない。

図４Ａ～図４Ｄ、図５Ａ～図５Ｄ、および図６Ａ～図６Ｄは、スキャナ不具合の上記のケースによって生じる眼の安全性に対する脅威を、本発明のスキャン方法の様々な例示的な実施形態がどのように克服したかを示す。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、本発明の一実施形態による第１の３スポット走査方法を示す図を示す。図４Ａでは、画像平面４１０上の３つのレーザスポット４８０Ａ、４８１Ａ、および４８２Ａは、３つの異なるレーザ光源からの照明に対応する。矢印で示されるＸ軸およびＹ軸は、それぞれ、スキャナ１２４および１２５の走査軸を表す。図４Ａでは、レーザスポットは、Ｘ軸に実質的に平行な線上に配置される。図４Ｂは、それぞれ、レーザスポット４８０Ａ、４８１Ａ、および４８２Ａの走査によって形成された画像フィールド４８０Ｂ、４８１Ｂ、および４８１Ｃを示す。なお、３つの画像フィールドが互いに水平方向にずれていることに留意されたい。３つのスポットのスキャンパターンは、図４Ｂに破線、実線、点線で示されている。従来技術の合成されたスポットと比較して３つのレーザスポットの利点は、光強度が分散され、各スポットが全強度のほぼ１／３を有するようになることである。したがって、上記のケース（ａ）の場合のように、スキャナ１２４および１２５が両方とも動作しない場合、スポット当たりの強度は、合成されたスポットの約１／３、すなわち（１／３）（２．４×１０⁹）＝８×１０⁸ＮＩＴである。

図４Ｃは、上記ケース（ｂ）の場合のように、リニアスキャナ１２５のみが作動しない場合の、３つのスポット４８０Ａ、４８１Ａ、および４８２Ａの動きを示す図である。この場合、３つのスポットは、同じ線４９６上を何度も連続して走査する。スキャンパターンがほぼ重複している限り、視聴者の眼の同じ部分が短い時間間隔で照射される。例えば、眼の熱積分時間に匹敵する数マイクロ秒の期間において、３つのスポットは、３つの重複する線分４８０Ｃ、４８１Ｃ、および４８２Ｃ上を走査する。重複するため、視聴者に対する見かけ上の光強度は、３つのスポットすべてを合成したものとほぼ同じであり、すなわち２．４×１０⁹ＮＩＴ／Ｎ_P＝３×１０⁶ＮＩＴである。

図４Ｄは、上記のケース（ｃ）の場合のように、共振スキャナ１２４のみが動作しない場合の３つのスポット４８０Ａ、４８１Ａ、および４８２Ａの動きを示す図である。この場合、３つのスポット４８０Ａ、４８１Ａ、および４８２Ａは、それぞれ３つの別個の（重複しない）線４８０Ｄ、４８１Ｄ、および４８２Ｄ上を走査する。したがって、この場合の見かけ上の光強度は、合成されたスポットの約１／３に過ぎず、すなわち（１／３）（２．４×１０⁹）＝８×１０⁸ＮＩＴである。

したがって、スキャナに不具合がある３つのケースすべてにおいて、図４Ａ～図４Ｄに示される３スポット走査方法について、視聴者の眼に対する見かけ上の光強度は、眼の安全限度内にある。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、および図５Ｄは、本発明の別の実施形態による、第２の３スポット走査方法を示す図を示す。図５Ａは、３つの異なるレーザ光源に対応する３つのレーザスポット５９０Ａ、５９１Ａ、および５９２Ａが画像平面５１０上に現れる場合のそれぞれの位置を示す。矢印で示されるＸ軸およびＹ軸は、それぞれ、スキャナ１２４および１２５の走査軸を表す。図５Ａにおいて、レーザスポットは、Ｘ軸と斜めの角度を形成する線上に配置される。図５Ｂは、それぞれ、レーザスポット５９０Ａ、５９１Ａ、および５９２Ａの走査によって形成された画像フィールド５９０Ｂ、５９１Ｂ、および５９１Ｃを示す。なお、３つの画像フィールドは、互いに水平および垂直にずれていることに留意されたい。３つのスポットのスキャンパターンは、図５Ｂに破線、実線、および点線で示されている。さらに、走査パターンは完全に重複しないため、見かけ上の光強度は、先行技術の合成されたスポットと比較して、通常の動作中のすべての画素において約１／３倍に低減される。さらに、上記のケース（ａ）の場合のように、スキャナ１２４および１２５が両方とも動作しない場合、スポット当たりの強度は、合成されたスポットの約１／３に過ぎず、すなわち（１／３）（２．４×１０⁹）＝８×１０⁸ＮＩＴである。

図５Ｃおよび図５Ｄは、２つのスキャナのうちの１つが不具合のために動作しない場合の、３つのスポット５９０Ａ、５９１Ａ、および５９２Ａの動きを示す。図５Ｃにおいて、上記ケース（ｂ）の場合のように、共振スキャナ５２４は、動作しており、リニアスキャナ５２５は、動作していない。この場合、３つのスポットは、別個の（重複していない）線５９０Ｃ、５９１Ｃ、および５９２Ｃ上を走査し、視聴者の見かけ上の光強度は、図４Ｃの合成されたスポットの１／３に過ぎず、すなわち（１／３）（３×１０⁶）＝１×１０⁶ＮＩＴである。図５Ｄでは、上記ケース（ｃ）の場合のように、スキャナ２５は動作しており、共振スキャナ２４は動作していない。この場合、３つのスポット５８０Ａ、５８１Ａ、および５８２Ａは、それぞれ３つの別個の（重複しない）線５９０Ｄ、５９１Ｄ、および５９２Ｄ上を走査する。したがって、この場合の見かけ上の光強度は、合成スポットの約１／３、すなわち、（１／３）（２．４×１０⁹）＝８×１０⁸ＮＩＴである。

したがって、スキャナに不具合がある３つのケースのすべてにおいて、図５Ａ～図５Ｄに示される３スポット走査方法について、視聴者の眼における見かけ上の光強度は、眼の安全限度内にある。

図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、本発明の別の実施形態による、６スポット走査方法の図を示す。図６Ａは、画像平面６１０上の６つの異なるレーザ光源に対応する６つのレーザスポット６００Ａ～６０５Ａの配向を示す。前述のように、矢印で示されるＸ軸およびＹ軸は、それぞれ、スキャナ１２４および１２５の走査軸を表す。図６Ａにおいて、６つのレーザスポットは、Ｘ軸と斜めの角度を形成する２つの線上に配置される。６つのレーザスポットによって走査された画像フィールドは、互いに対して水平方向および垂直方向の両方にずれている。さらに、走査パターンは完全に重複しないため、見かけ上の光強度は、先行技術の合成されたスポットと比較して、通常の動作中のすべての画素において約１／６倍に低減される。さらに、上記のケース（ａ）の場合のように、スキャナ１２４および１２５が両方とも動作しない場合、スポット当たりの強度は、合成されたスポットの約１／６に過ぎず、すなわち（１／６）（２．４×１０⁹）＝４×１０⁸ＮＩＴである。

図６Ｂおよび図６ＣＤは、２つのスキャナのうちの１つが不具合により作動しない場合の６つのスポット６００Ａ～６０５Ａの動きを示す。図６Ｂにおいて、上記ケース（ｂ）の場合のように、共振スキャナ１２４は、動作しており、リニアスキャナ１２５は、動作していない。この場合、６つのスポットは、別個の（重複していない）線６００Ｂ～６０５Ｂ上を走査し、視聴者にとって見かけ上の光強度は、図４Ｃの合成されたスポットの１／６に過ぎず、すなわち（１／６）（３×１０⁶）＝×１０⁵ＮＩＴである。図６Ｃにおいて、上記ケース（ｃ）の場合のように、リニアスキャナ１２５は、動作しており、共振スキャナ１２４は、動作していない。この場合、６つのスポットは、６つの別個の（重複しない）線６００Ｃ～６０５Ｃ上を走査し、視聴者にとって見かけ上の光強度は、結合スポットの約１／６であり、すなわち、（１／６）（２．４×１０⁹）＝４×１０⁸ＮＩＴである。

したがって、スキャナに不具合がある３つのケースのすべてにおいて、図６Ａ～図６Ｃに示される６スポット走査方法について、視聴者の眼における見かけ上の光強度は、眼の安全限度内にある。

コントローラのブロック図
図７は、本発明のレーザ出力変調および６スポット走査方法を使用する、ニアアイレーザディスプレイのためのコントローラ７００の例示的なブロック図を示す。画像生成器７０２は、重ね合わせられて視聴者に投影された２つのカラー画像を生成する２つの３レーザ照明コントローラ２０３Ａおよび２０３Ｂに画像データを提供する。照明コントローラ２０３Ａによって制御される３つのレーザスポットの位置と、照明コントローラ２０３Ｂによって制御される３つのレーザスポットの位置との間には、本質的に相関関係がないため、６つのレーザスポットのそれぞれは、一般に、走査された画像内の異なる画素を照射する。スポットが重複して強度が上がることもあれば、重複しないで解像度が上がることもある。統計的に、２つの重ね合わせ画像を使用することにより、２の平方根にほぼ等しい倍数だけ、走査された画像の画素スループットが増加する。

２つの照明コントローラ７０３Ａ（またはＢ）のそれぞれは、光学的歪みとカラー／ホワイトバランスのために画像を補正する前処理部７０４Ａ（またはＢ）と、画像生成器７０２から受信した画像パターンで図３Ｃに示される不確定性楕円を畳み込む畳み込み部７０５Ａ（またはＢ）と、合計（または重ね合わせ）部７０７Ａ（またはＢ）と、スキャンドライバ１１２から入力信号を受信し、レーザモジュール１０９Ａ（またはＢ）内の３つのレーザの強度を制御するレーザドライバ１０８Ａ（またはＢ）に補間およびトリガ信号を提供する調整部７１０Ａ（またはＢ）と、からなる。

スキャンモジュール１２３は、図１にも模式的に示される、リニアスキャナ１２５と、共振スキャナ１２４と、を含む。共振スキャナの瞬時位置は、センサ（図示せず）によって測定され、それぞれのレーザドライバ１０８Ａおよび１０８Ｂと通信している調整モジュール７１０Ａおよび７１０Ｂに送信される。

図７における個別のユニットの提示は、明確化を目的としており、特定の実施では、個別のユニットの機能を単一のモジュールに統合することが望ましいことがある。さらに、図７のブロック図は、３つ以上の照明コントローラ７０３Ａおよび７０３Ｂを含み、画像フィールド内に７つ以上のレーザスポットを生成するように拡張されてもよい。この拡張は、視聴者の眼における見かけ上の光強度をさらに低減することにより眼の安全性のさらなる向上を可能にし、画素スループットのさらなる増加も可能にする。

上記の説明は例として役立つことのみを意図すること、および他の多くの実施形態が可能であり、上記の本発明の範囲内に含まれ、添付の特許請求の範囲に定義されることが理解されるであろう。

Claims (11)

1. 視聴者に画像を表示するためのニアアイディスプレイであって、
   レーザモジュールを制御するレーザドライバであって、
   前記レーザモジュールが、少なくとも３つのレーザスポットを生成する、レーザドライバと、
   前記レーザスポットを画像フィールド内で移動させるスキャンモジュールと通信するスキャンドライバと、を備え、
   前記レーザドライバが、ベースライン出力レベル、閾値近傍出力レベル、およびレーザ発振出力レベルによって特徴付けられる出力変調を提供し、
   前記出力変調のタイミングが、前記スキャンドライバと同期され、前記レーザスポットの位置不確定性を特徴付ける１つ以上の不確定性楕円との画像パターンの畳み込みによって決定される、ニアアイディスプレイ。
2. 前記出力変調の前記タイミングが、前記ニアアイディスプレイの電気エネルギー消費量を最小限に抑えるように設定される、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 画像生成器と、少なくとも２つの照明コントローラと、を備えるコントローラをさらに備える、請求項１に記載のディスプレイ。
4. 前記少なくとも２つの照明コントローラが、前記出力変調の前記タイミングを前記スキャンドライバおよび前記画像生成器と同期させるように構成される、請求項３に記載のディスプレイ。
5. 視聴者に画像を表示するためのニアアイディスプレイであって、
   少なくとも３つの重複しないレーザスポットを生成するレーザモジュールであって、前記レーザスポットのそれぞれが、前記視聴者の眼に入射する見かけ上の光強度を生成する、レーザモジュールと、
   少なくとも２つの独立した走査方向に画像フィールド内で前記レーザスポットを移動させるスキャンモジュールと通信するスキャンドライバと、を備え、
   前記レーザスポットが、前記スキャンモジュールが正常に機能中および／または前記レーザスポットが前記走査方向のうちのいずれか一方向または全方向に移動できない前記スキャンモジュールの不具合中に、重複しない線を横断する、ニアアイディスプレイ。
6. 前記レーザスポットの少なくとも２つが、異なる光波長を有する、請求項１または請求項５に記載のディスプレイ。
7. 前記レーザスポットが、前記走査方向のうちの１つに対して平行であるか、または斜めの角度である１つ以上の線に配置される、請求項１または請求項５に記載のディスプレイ。
8. 前記スキャンモジュールが正常に機能中および／または前記レーザスポットが前記走査方向のうちのいずれか一方向または全方向に移動できない前記スキャンモジュールの不具合中に、前記レーザスポットの前記見かけ上の光強度のどのような組み合わせも、所定の眼の安全レベルを超えることはない、請求項５に記載のディスプレイ。
9. 前記スキャンモジュールが、共振スキャナおよびリニアスキャナを備える、請求項５に記載のディスプレイ。
10. 前記共振スキャナの位置を測定するセンサをさらに備える、請求項５に記載のディスプレイ。
11. 前記スキャンモジュールが、２軸ミラーおよび２軸アクチュエータを備える、請求項１または請求項５に記載のディスプレイ。

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