JP4351995B2 - 高解像度画像投射 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、単色、グレー・スケール、又はカラーで二次元画像を投射することに関し、より具体的には、低電力消費、高解像度、小型でコンパクトなサイズ、静音作動、及び最小振動を維持する一方で、広範な画像投射距離の範囲にわたって、画像解像度を制御することに関する。

互いに直角な方向に振動して、ラスタ・パターンにわたりレーザ光を走査する１対の走査ミラーに基づいて、二次元画像をスクリーン上に投射することが、一般に知られている。しかしながら、公知の画像投射システムは、典型的には、６４０×４８０ピクセルというビデオ・グラフィックス・アレイ（ＶＧＡ）画質の４分の１に満たない、限られた解像度を有する。また、公知の投射システムによって作り出される画像は、典型的には、システムから単一の距離においてか、または、せいぜい限られた範囲の距離においてのみ鮮明である。公知の投射システムの物理的なサイズ及び電力消費は比較的大きく、そのことが、システムを、小型で携帯型のバッテリー駆動用途における使用には不向きなものにしている。また、走査ミラーの低走査速度により、使用中、好ましくない騒音及び振動が発生する。

従って、システムからの広範な距離範囲にわたって、鮮明な二次元画像を投射する画像投射システムを提供することが、本発明の全体的な目的である。

本発明の別の目的は、そのような投射システムにおける電力消費を最小限にすることである。

本発明の更に別の目的は、そのようなシステムによって投射される画像の解像度を向上させることである。

本発明のまた別の目的は、作動中の好ましくない騒音及び振動を、除去しないまでも低減することである。

付加的な目的は、異なる形状因子を有する多くの機器に有用な、小型でコンパクトな軽量かつ携帯式の画像投射装置を提供することである。

これらの、及び、以下で明らかになるその他の目的に従って、本発明の１つの特徴は、簡単に言えば、二次元画像を投射するための画像投射モジュールにある。モジュールは、例えばプリント回路基板などの支持体と、レーザ光を放出するための、例えば固体レーザなどのレーザと、モジュールから可変距離を隔てた空間において、各々が多数のピクセルを有する走査線のパターンをスイープするためのスキャナと、選択されたピクセルをレーザ光によって照射し、可視化させて画像を生成するための制御装置と、を含む。

本発明の１つの態様に従って、ピクセル・サイズをモジュールから画像までの可変距離の関数として制御し、該モジュールからの広範な距離範囲にわたって画像の解像度を制御するための光学系が、支持体に設けられる。光学系は、広範な範囲にわたって、画像の解像度を実質的に一定に保つためのレンズ組立体を含む。

好ましい実施形態においては、スキャナは、異なった走査速度及び異なった走査角度で互いに概ね直角な方向に沿ってレーザ光をスイープするための、振動可能な１対の走査ミラーを含む。騒音を抑えるため、走査速度の少なくとも１つは、例えば１８ｋＨｚを上回るなど、可聴周波数を超えるものである。電力消費を最小限にするため、走査ミラーの少なくとも１つは、慣性駆動装置によって駆動される。画像解像度は、好ましくは、ＶＧＡ画質の４分の１を超えるが、典型的には、ＶＧＡ画質と等しいかまたはこれを超える。支持体、レーザ、スキャナ、制御装置、及び光学系は、好ましくは、５立方センチメートルより小さい体積を占め、典型的には、３．５立方センチメートルより小さい。

本発明の別の特徴は、画像を、単色、カラー、又はグレー・スケールでレンダリングすることにある。好ましくは、制御装置は、選択されたピクセルを同一輝度で照射するようにレーザを励起し、他の選択されないピクセルを照射しないように該レーザを励起しない。レーザに伝える駆動電流を調節することによって、および／または、レーザ光が選択されたピクセルに当たっている間の時間間隔を調節することによって、画像の輝度は望みどおりに変化させられる。選択された異なる波長のレーザ光を励起することによって、カラー画像が作り出される。

走査モジュールは、コンパクトで小型のサイズのために、ペン型、拳銃型、または懐中電灯型の機器、携帯情報端末、ペンダント、腕時計、コンピュータを含むがこれらに限定されるものではない、要するにいかなる形状も含む異なる形状因子のハウジングに、交換可能に取付けることができる。投射された画像は、広告もしくは標識目的に、またはテレビもしくはコンピュータのモニタ画面用など、要するに何かを表示しようとするいかなる目的のためにも、使用することができる。

本発明の特質であると考えられる新規な特徴は、添付の特許請求の範囲において、具体的に記載される。しかしながら、発明自体は、その付加的な目的及び利点と共に、その構造と作動方法の両方について、添付の図面との関連で読まれた時に以下の特定の実施形態の説明から最も良好に理解されるであろう。

図１の参照数字１０は、図２に示されるような軽量でコンパクトな画像投射モジュール２０が取付けられ、該モジュールからの可変距離に二次元画像を投射する働きをする、例えば携帯情報端末などの携帯型機器を全体として示す。一例として、近接画像３０は、機器に対して、例えば数インチ離れた（ゼロに近い）比較的近距離に位置し、遠隔画像４０は、機器から、例えば２０フィートを超える（無限遠に近い）比較的遠距離に位置する。ここで説明されるように、投射された画像がゼロに近いか、無限遠に近いか、またはその間のいずれかの距離であるかを問わず、該画像の解像度はほぼ一定になるように制御され、それにより、該画像は、この広範な距離範囲のどこにおいても鮮明で、焦点が合う。

図１に示されるように、画像３０及び４０は共に、それぞれの画像について、水平方向に広がる同一の光学的水平走査角Ａと、垂直方向に広がる同一の光学的垂直走査角Ｂと、を有する。以下に説明されるように、各々の画像は、モジュール２０のスキャナによってスイープされる走査線のラスタ・パターン上の照射されたピクセル及び照射されないピクセルからなる。

機器１０の平行六面体形状は、モジュール２０を実装することのできるハウジングの一形状因子を表しているにすぎない。機器は、例えば本出願と同一の譲受人に譲渡され、引用によりここに組み入れられる、２００２年３月４日に出願された米国特許出願連続番号第１０／０９０，６５３号に示されたように、ペン、携帯電話、クラムシェル、又は腕時計の形状とすることができる。

好ましい実施形態においては、モジュール２０の大きさは、約３０ｍｍ×１５ｍｍ×１０ｍｍ、すなわち約４．５立方センチメートルである。このコンパクトで小型のサイズにより、本体搭載型ディスプレイ１２及びキーパッド１４を有するものを含む、大型または小型の、携帯型または据え置き型の、多数の多様な形状のハウジング内に、モジュール２０を取付けることが可能になる。

図２を参照すると、モジュール２０は、例えばプリント回路基板などの支持体１６と、レーザ２５（図５を見よ）およびレンズ組立体が取り付けられるレーザ／光学系ケーシング１８とを含み、該レンズ組立体は、該レーザ２５から放出されるレーザ光を光学的に変調する働きをする１つまたはそれ以上のレンズ、好ましくは１対のレンズ２２および２４を含む。

図５において最も良好に分かるように、レーザ２５は、固体レーザであり、好ましくは、電圧をかけると楕円形の断面を持つ６３５−６５５ナノメートルの明るい赤色レーザ光を放出する半導体レーザである。レンズ２２は、約２ｍｍの正の焦点距離を有する両面非球面凸レンズであり、実質的に光線の全エネルギーを集めて、回折が制限された光を生成する働きをする。レンズ２４は、約−２０ｍｍの負の焦点距離を有する凹レンズである。レンズ２２、２４は、それぞれレンズホルダ２６、２８によって、ケーシング１８内部に約４ｍｍの間隔を空けて保持され、組立の間に充填孔２９の中に挿入された接着剤（分かりやすくするために図示せず）を固まらせることによって、定位置に固定される。コイルばね２７は、レーザの位置決めを補助する。レンズ２２、２４は、以下で説明されるように、広い範囲にわたって光の像を形成する。

ケーシング１８を出たレーザ光は、任意の静止反射ミラー３２に導かれ、そこで反射される。スキャナは、同様に基板１６に取付けられ、反射ミラーで反射されたレーザ光を第１の水平走査角Ａにわたってスイープするために慣性駆動装置３６によって第１の走査速度で振動可能な第１の走査ミラー３４と、該第１の走査ミラー３４で反射されたレーザ光を第２の垂直走査角Ｂにわたってスイープするために電磁駆動装置４２によって第２の走査速度で振動可能な第２の走査ミラー３８と、を含む。変形的な構造においては、走査ミラー３４、３８は、単一の二軸ミラーに置換することができる。

慣性駆動装置３６は、高速で低電力消費の部品である。慣性駆動装置の詳細は、本出願と同一の譲受人に譲渡され、引用によりここに組み入れられる、２００３年３月１３日に出願された米国特許出願連続第１０／３８７，８７８号に見出すことができる。慣性駆動装置の使用により、モジュールの電力消費は１ワット未満にまで低減し、以下で説明されるようにカラー画像を投射する場合には、１０ワット未満にまで低減する。

電磁駆動装置４２は、第２の走査ミラーの裏側に接合させて取付けられた永久磁石４４と、周期的な駆動信号の受信に応答して周期的な磁界を発生する働きをする電磁コイル４６と、を含む。コイル４６は、周期的な磁界が磁石４４の永久磁界と磁気的に相互作用して、磁石すなわち第２の走査ミラー３８を振動させるように、該磁石４４に隣接する。コイル４６は、基板１６に連結された直立壁４８によって支持される。

慣性駆動装置３６は、好ましくは５ｋＨｚより大きく、より具体的には１８ｋＨｚのオーダーまたはそれ以上の高い走査速度で、走査ミラー３４を振動させる。この高い走査速度は不可聴周波数であり、そのことにより、騒音と振動を最小にする。電磁駆動装置４２は、過剰にちらつくことなく画像が人間の網膜に残存することを可能にするには十分に速い４０Ｈｚのオーダーの低い走査速度で、走査ミラー３８を振動させる。

高速ミラー３４は水平走査線をスイープし、低速ミラーは水平走査線を垂直方向にスイープし、それにより、概ね平行な走査線のグリッドまたは列であるラスタ・パターンを生成し、該走査線から画像が構成される。各々の走査線は、多数のピクセルを有する。画像解像度は、好ましくは、６４０×４８０ピクセルのＶＧＡ画質である。幾つかの用途においては、ＶＧＡ画質の２分の１である３２０×４８０ピクセルか、または、ＶＧＡ画質の４分の１である３２０×２４０ピクセルで十分である。少なくとも、１６０×１６０ピクセルの解像度が望ましい。

ミラー３８が高速となりミラー３４が低速となるように、ミラー３４及び３８の役割を逆にすることもできる。ミラー３４は、垂直走査線をスイープするように設計することもでき、その場合は、ミラー３８は水平走査線をスイープするであろう。また、慣性駆動装置は、ミラー３８を駆動するために用いることもできる。さらに、ミラーは、電気機械駆動装置、電気駆動装置、機械駆動装置、静電気駆動装置、磁気駆動装置、または電磁気駆動装置のいずれかによって駆動することができる。

画像は、走査線の１つ又はそれ以上にあるピクセルの選択的な照射によって構成される。図７を参照して以下でより詳細に説明されるように、制御装置は、レーザ光によってラスタ・パターンの中の選択ピクセルを照射し、目に見えるようにする。例えば、電源制御装置５０は、レーザ２５に電流を流して、各々の選択ピクセルに光を放出するように該レーザを励起し、該レーザ２５に電流を流さずに、他の非選択ピクセルを照射しないように該レーザを励起しないようにする。照射されるピクセル及び照射されないピクセルの結果として得られるパターンが画像を構成するが、これは、人間または機械が読取り可能な情報またはグラフィックのいずれの表示とすることもできる。電源制御装置の代わりに音響光学変調器を用いて、レーザ光が第１の走査ミラーに届かないようにすることにより、該レーザ光をいずれかの所望のピクセルから逸らし、該ピクセルを照射しないようにすることもできる。

図６を参照すると、ラスタ・パターン５２が拡大図で示される。レーザ光は、ポイント５４から出発して、慣性駆動装置により水平走査速度で水平方向に沿ってポイント５６までスイープされて、走査線を形成する。その後すぐに、レーザ光は、電磁駆動装置により垂直方向に沿って垂直走査速度でポイント５８までスイープされて、第２の走査線を形成する。連続的な走査線の形成は、同様にして進行する。

電源制御装置５０の作動により、マイクロプロセッサ又は制御回路の制御の下で、レーザを選択された回数だけ断続的に励起またはパルス発振させるか、または、レーザを作動させ続けて、音響光学変調器の作動により、レーザ光を選択された回数だけ偏向させることによって、画像がラスタ・パターンの中に生成される。所望の画像のピクセルが見られるのが望ましい時にのみ、レーザが可視光を発して作動するか、またはその光線が適切に偏向される。例えば、図６の文字「Ｃ」は、連続線上の少しずつずれた位置にあるピクセルを照射することによって形成される。ラスタ・パターンは、各々の線上の多数のピクセルと、多数の線とでできたグリッドである。画像は、選択されたピクセルのビットマップである。全ての文字または数字、いずれかのグラフィックデザインまたはロゴ、および機械読み取り可能なバーコード記号でさえ、ビットマップ画像として形成することができる。

図６はまた、機器１０の光透過ポートすなわちウィンドウ６０を示し、これを通して、画像はプリント回路基板１６と概ね直交する方向に投射される。再び図３を参照すると、レーザ光の光学経路は、レーザ／光学系ケーシング１８および反射ミラー３２の間の垂直区間６２と、走査ミラー３４に向かう左向きの傾斜区間６４と、走査ミラー３８に向かう右向きの水平区間６６と、図面手前向きの、基板１６と直交する方向の前方区間６８（図６を見よ）をもつ。画像は、いかなる半透明の面または反射性の面の上にも投射することができる。

図７に示されるように、ホスト８０は、ビットマップ化した画像データ８２を、メモリ制御装置７２によって制御されるメモリバッファ７０に送信する。１つのＶＧＡフルフレームの格納には約３００キロバイトが必要であり、１つのフレームがホストによって書き込まれる一方で、別のフレームが読み取られ投射されていることが可能になるように、２つのフルフレーム（６００キロバイト）のための十分なメモリをバッファ７０に持つことが望ましいであろう。一方、バッファのサイズがフルフレームと比べて小さい場合には、制御装置７２は、ホストによって送信されたデータでメモリが最大格納容量に達した後で、線の表示を開始するか、または、バッファからの読み取りとバッファに対する書き込みを同時に行うこともできる。フレーム同期信号８６は、ホストによって制御装置７２に送信される。

高速度すなわちＸ軸ミラーとしても知られる第１の走査ミラー３４は、慣性駆動装置３６によって駆動され、メモリ制御装置７２によって制御される。同様に、低速度すなわちＹ軸ミラーとしても知られる第２の走査ミラー３８は、電磁駆動装置４２によって駆動され、メモリ制御装置７２によって制御される。画像はＸ軸ミラーの順方向と逆方向の両方の走査の間に投射されるので、画像データの線は１つ置きに逆順に表示される。従って、ホストが画像データをバッファに逆順に書き込むか、またはメモリ制御装置が画像データを逆順に読み取るか、どちらかでなければならない。

Ｘ軸ミラーは正弦曲線の速度分布を有する。レーザ光は、所与の時間間隔で、各々の走査線の端と比べて各々の走査線の中間においてより多くのピクセルをスイープする。画像の歪みを回避するためには、メモリ制御装置７２が可変クロック速度でピクセルをクロック処理するか、またはホストが、ピクセルのサイズが可変のデータをバッファ７０に書き込むか、どちらかとすべきである。固定サイズのピクセルを他のディスプレイと共有することを可能にするので、可変クロック速度が好ましい技術である。

バッファの出力は、ホストとフレーム同期され、Ｘ軸ミラー３４とクロック・線同期されるディジタル信号８４である。このディジタル信号は、次にレーザ２５を制御する変調器８８に送られる。

前述のように、光学組立体は、広い範囲にわたって画像解像度を一定に保つように作動する。具体的には、レンズ２２、２４は、例えば図１における５インチなどのゼロに近い距離で焦点が合うように、画像３０を合焦する。画像３０から投射画像４０までの距離が増すにつれて、各々のピクセルのサイズは線形に比例して大きくなり、逆もまた同じである。従って、光学組立体は、スポットサイズに対する距離の比が、所与の走査角について実質的に一定に保たれるように、光線の形状を成形した。好ましい実施形態においては、水平走査角は光角±１５°であり、垂直走査角は光角±２０°である（ＶＧＡディスプレイに関して）。

単一のレーザからの画像は、照射されたピクセルのすべてが同一輝度をもつ単色となるか、または、照射されたピクセルが可変輝度をもつグレー・スケールで描かれるかのどちらかとすることができる。輝度を変化させるために、変調器８８は、各々のピクセルが照射される時間を変化させるか、または各々のピクセルについてレーザに加えられる駆動電流の量を変化させるかどちらを行うことができる。

画像はまた、異なる周波数の複数のレーザ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ（図８を見よ）を用いるか、または、単一のレーザの経路に結晶を挿入することによって、カラーで描くことができる。赤色、緑色、および青色レーザは、それぞれ、赤色、緑色、および青色の光のスポットを生成することができ、それらはすべて反射ミラー３２上の同一のスポット９０に配向される。１つのレーザのみが励起された場合には、ミラー３２上のスポットは、該励起されたレーザの色をもつことになる。２つ又はそれ以上のレーザが励起された場合には、ミラー上のスポットは、すべての励起されたレーザの混合色をもつことになる。可視光スペクトルのいかなる色も、赤色、緑色、および青色レーザの１つ又はそれ以上の選択的な重ね合わせによって、生成することができる。レーザの選択は、レーザ・セレクタ・ユニット９２によって行われる。カラー画像の場合、モジュールのサイズは大きくなるが、体積が３０立方センチメートル未満となることから、それでもまだコンパクトである。

例えば、レンズ２２、２４は、画像解像度を制御するために前述のような固定式とする必要はなく、画像３０までの距離が調節できるように、レンズの少なくとも１つを移動可能にすることができる。レンジファインダを使用して画像３０までの距離を測定し、次いでその測定された距離を用いて、可動レンズを移動させる範囲を変えることができる。

本発明に関する更に別の有用な用途は、従来からテレビ画面で視聴可能であるようなフルモーションビデオを得ることにある。本発明によれば、画像は、リフレッシュ速度、すなわち少なくとも毎秒３０回から４０回の速度で再描画される。一連のこうした再描画画像は、映画を表示する。従って、本発明は、単一の静止画像の表示にのみ限定されるべきではなく、多数の画像の動的な表示から構成される動画を対象とすることが明確に意図されている。

広範な距離範囲にわたって実質的に一定の解像度で画像を投射する携帯機器の斜視図である。 図１の機器に取付けるための本発明による画像投射モジュールの、上からの拡大斜視図である。 図２のモジュールの上面図である。 図３のモジュールの端部立面図である。 図３の線５−５で切り取った、モジュールのレーザ／光学系組立体の拡大断面図である。 図１の線６−６で切り取った拡大断面図である。 図２のモジュールの作動を表す電気的概略ブロック図である。 変形物の構造の詳細の概略図である。

Claims (11)

1. ａ）支持体と
   ｂ）レーザ光を放出するための前記支持体上のレーザと、
   ｃ）モジュールから可変距離を隔てた空間における走査角範囲にわたって、各々が多数のピクセルを有する複数の走査線のパターンをスイープするための前記支持体上のスキャナと、
   ｄ）前記レーザ及び前記スキャナに作動関係で接続され、選択されたピクセルを前記レーザ光によって照射し可視化させて画像を生成するための制御装置と、
   を備える、二次元画像を投射するための画像投射モジュールであって、
   ｅ）レーザ光をモジュールからの距離がゼロに近い位置でスポットサイズに合焦させる凸レンズ及び凹レンズからなる光学レンズ組立体が前記支持体上に設けられ、該光学レンズは、前記スポットサイズに対する前記可変距離の比が前記走査角範囲にわたり実質的に一定に維持されるように前記レーザ光を成形し、かつ、各ピクセルのサイズが、前記モジュールから前記画像までの前記可変距離の関数として、前記ゼロに近い位置からの距離の増加に従って線形に比例する関係で増加するようにすることを特徴とする画像投射モジュール。
2. 前記支持体がプリント回路基板であることを特徴とする、請求項１に記載の画像投射モジュール。
3. 前記レーザが固体レーザであることを特徴とする、請求項１に記載の画像投射モジュール。
4. 前記スキャナが、前記レーザ光を、第１の走査速度で、第１の走査角にわたって、第１の方向に沿ってスイープするための第１の振動可能な走査ミラーと、該レーザ光を、前記第１の走査速度とは異なる第２の走査速度で、かつ、前記第１の走査角とは異なる第２の走査角で、前記第１の方向に実質的に垂直な第２の方向に沿ってスイープするための第２の振動可能な走査ミラーとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の画像投射モジュール。
5. 前記走査速度の少なくとも１つが、可聴周波数を超えることを特徴とする、請求項４に記載の画像投射モジュール。
6. 前記走査ミラーの少なくとも１つが、慣性駆動装置によって振動させられることを特徴とする、請求項４に記載の画像投射モジュール。
7. 前記制御装置が、前記選択されたピクセルを照射するように前記レーザを励起させ、該選択されたピクセル以外のピクセルを照射しないように該レーザを非励起とする手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の画像投射モジュール。
8. 前記制御装置が、前記選択されたピクセルを可変輝度で照射するように前記レーザ光を変調して、グレー・スケールをもつ画像を生成するための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の画像投射モジュール。
9. 前記画像解像度が、各々の走査線について少なくとも１６０ピクセル、及び、少なくとも１６０走査線を解像可能であることを特徴とする、請求項１に記載の画像投射モジュール。
10. 前記支持体、前記レーザ、前記スキャナ、前記制御装置及び前記光学系を合わせて、５立方センチメートルより小さい体積を占めることを特徴とする、請求項１に記載の画像投射モジュール。
11. 前記慣性駆動装置が、電力消費を１ワット未満にまで低減されることを特徴とする、請求項６に記載の画像投射モジュール。

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