JP4592763B2 - 様々な像平面に対する画像投射 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、二次元画像を様々な像平面に対して、特に単一モードレーザソースを用いて、投射することに関する。

ラスタパターンに沿ってレーザビームを走査するために互いに直交する方向で振動する一対の走査ミラーに基づいて画面上に二次元の画像を投射することは公知である。しかしながら、公知の画像投射システムは、一般的に、単一の像平面に対して６４０ｘ４８０画素のビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）品質の１／４より少ない限定された解像度の画像を投射する。そういうものとして、公知の画像投射システムは汎用性が限定される。

従って、本発明の一般的な目的は、シャープかつクリアな鮮明な二次元画像を複数の様々な像平面に対して投射する画像投射システムを提供することである。

本発明の別の目的は、大サイズの画像を投射することである。

本発明のさらに別の目的は、画像投射システムを含むハウジングへ／ハウジングから離れて画像を投射することである。

これらの目的および以下に明らかになるその他の目的を達成するために、本発明の１つの特徴は、要約すると、二次元画像を投射するための装置にある。該装置は、窓を有するハウジングと、窓を通して走査線のパターンを掃引するためのハウジング内にある画像投射モジュールであって、各走査線は多数の画素を有し、選択された画素が照明されるようにまた見えるようにして画像を生成する画像投射モジュールと、画像が様々な像平面に対して投射される様々な位置間を移動するためのハウジングに取り付けられた可動コンポーネントとを含む。

本発明の１つの特徴に従うと、可動コンポーネントは、ハウジングに軸回転するように取り付けられたパネルであり、該パネルは、画像が投射されるディスプレイ画面として該パネルが機能する位置と、傾いた状態でハウジングを支持し、それによって画像がハウジングとは離れたディスプレイ表面に投影されることを可能にするためのサポートとして該パネルが機能する別の位置との間で移動する。従って、ユーザは、画像をプライベート（ｐｒｉｖａｔｅ）に見るために画像をハウジング上に表示することと、画像をパブリック（ｐｕｂｌｉｃ）に見るためにハウジングと離れて画像を表示する選択肢を有し、それによって、表示の汎用性が増加する。

パネルは、また、ハウジングに向かっておよびハウジングから離れるように直線的に移動するように取り付けられ得、それによって、ハウジングから様々な距離でオンボード（ｏｎ ｂｏａｒｄ）で見ることができるようにするので、汎用性がより大きくなる。

本発明のさらに別の特徴は、ハウジングにディスプレイ画面を提供し、画像が画面に投射されるように、または画面から離れて投射されるように、コンポーネントを移動することである。この場合、コンポーネントは、スライド可能なハッチ、または、通常窓を覆うカバーであり、ミラーは、カバーの上に、カバーと連動して移動するように取り付けられる。カバーが窓の上にある場合、走査線は、ミラーからディスプレイ画面に反射する。カバーが窓から離れて移動する場合、走査線は、窓を通過して、離れたディスプレイ表面に進む。

上記の実施形態において、画像は様々な画像または標的の平面に選択的に生成される。このことは、画像が単一の像平面においてのみ生成される従来の技術とは対照的である。

さらに別の特徴は、ワイド画面を作るためにディスプレイ画面を折り畳むこと、および展開することである。画面は柔軟性ある材料から作られ得、コンパクトに保管するために折り畳まれ得、ワイドなフォーマットのために展開され広げられ得る。画面は、また、伸縮可能な材料から作られ得、当初のサイズからよりワイドな目的のサイズに伸長され、これもワイドな画面フォーマットを作り得る。

図１の参照番号１０は、一般的に、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が設置されるハウジングを同定する。モジュール２０は、二次元画像をモジュールから離れた様々な像平面に投射するように動作する。下記のように、画像は、モジュール２０のスキャナによって掃引される走査線のラスタパターン３０上にある照明されたおよび照明されない画素から構成される。

ハウジング１０の平行六面体形状は、モジュール２０が組み込まれ得るほんの１つの形式要素を表すに過ぎない。好適な実施形態において、モジュール２０の寸法は、約３０ｍｍｘ１５ｍｍｘ１０ｍｍまたは約４．５立方センチメートルである。このコンパクトなミニサイズは、大または小、ポータブルまたは固定式の多くの多様な形状のハウジングにモジュール２０が取り付けられることを可能にし、ハウジングの一部は下記に記述される。

図２を参照すると、モジュール２０は、サポート１６、例えば、プリント基板、およびレーザ／光学ケーシング１８を含み、レーザ／光学ケーシング１８には、レーザ２５（図６を参照されたい）と、レーザ２５によって放出されるレーザビームを光学的に変更するように動作する１つ以上のレンズと、好ましくは一対のレンズ２２、２４とを含むレンズアセンブリが取り付けられる。

図６に最も良く見られるように、レーザ２５は、固体レーザであり、好ましくは、半導体レーザであり、電力投入されると、楕円形の断面を有するレーザビームを放出する。レンズ２２は、約２ｍｍの正の焦点距離を有する二非球面凸レンズであり、ビームの事実上すべてのエネルギを収集し、回析制限されたビームを生成するように動作する。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、ケーシング１８内で約４ｍｍ離れてそれぞれのレンズホルダ２６、２８によって保持され、接着剤（分かりやすくするために図示されていない）が組み立てる間、セットするための充填穴２９に挿入することを可能にすることによって、定位置に固定される。コイルスプリング２７は、レーザの位置決めを助ける。レンズ２２、２４はビームプロフィールを形成する。

ケーシング１８を出るレーザビームは、オプションの固定式バウンスミラー３２に向かうかまたはそこから反射する。スキャナもボード１６に取り付けられ、第１の水平スキャン角度Ａ（図７を参照されたい）にわたってバウンスミラーから反射されたレーザビームを掃引するために第１のスキャン速度で慣性ドライブ３６によって振動可能な第１のスキャンミラー３４、および、第２の垂直スキャン角度Ｂ（図７を参照されたい）にわたって第１のスキャンミラー３４から反射されたレーザビームを掃引するために第２のスキャン速度で電磁ドライブ４２によって振動可能な第２のスキャンミラー３８を含む。変種の構造において、スキャンミラー３４、３８は、単一の二軸ミラーに置き換えられ得る。

慣性ドライブ３６は、高速で低消費電力のコンポーネントである。慣性ドライブの詳細は、本出願として同一譲受人に譲渡され、本明細書に参考として引用される、２００３年３月１３日出願の米国特許出願第１０／３８７，８７８号に見つけられ得る。慣性ドライブの使用は、モジュールの消費電力を１ワット未満に減少させる。

電磁ドライブ４２は、第２のスキャンミラー３８に接合して取り付けられ、また第２のスキャンミラー３８の後に取り付けられる永久磁石４４、および周期的な駆動信号の受信に応答して周期的な磁界を生成するように動作する電磁コイル４６を含む。コイル４６は、磁石４４に隣接し、その結果、周期的な磁界は磁石４４の永久磁界と磁気的に相互作用し、磁石そして第２のスキャンミラー３８を振動させる。コイル４６は、ボード１６に接続された直立壁４８によって支持される。

慣性ドライブ３６は、好ましくは５ｋＨｚより大きいスキャン速度、より特定的には、１８ｋＨｚ以上のオーダーのスキャン速度の高速でスキャンミラー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、それによってノイズおよび振動を最小にする。電磁ドライブ４２は、過度のフリッカなしに人間の目の網膜に画像が残存することを可能にするに十分に速い４０Ｈｚのオーダーのより遅い走査速度で、スキャンミラー３８を振動させる。

より速いミラー３４は、水平走査線を掃引し、より遅いミラー３８は、水平走査線を垂直に掃引し、それによって、画像が構成されるグリッド、または、ほぼ平行な走査線のシーケンスであるラスタパターンを作る。各走査線は多数の画素を有する。画像解像度は、好ましくは、６４０ｘ４８０画素のＶＧＡ品質である。一部のアプリケーションにおいては、２分の１のＶＧＡ品質である３２０ｘ４８０画素、または４分の１のＶＧＡ品質である３２０ｘ２４０画素で十分である。最小として、１６０ｘ１６０画素が望ましい。

ミラー３４、３８の役割は、ミラー３８がより速く、ミラー３４がより遅くのように逆にされ得る。ミラー３４は、また、垂直走査線を掃引するように設計され得、この場合、ミラー３８は、水平走査線を掃引する。また、慣性ドライブは、ミラー３８を駆動するために用いられ得る。実際、どちらのミラーも、電気機械式、電気式、機械式、静電気式、磁気式または電磁式ドライブによって駆動され得る。

画像は、１つ以上の走査線における画像の画素を選択的に照明することによって構成される。図８に関して、以下により詳細に記述されるように、コントローラは、レーザビームによって、ラスタパターン３０における選択された画素を照明させ、見えるようにする。例えば、パワーコントローラ５０は、電流をレーザ２５に伝導することにより、各選択された画素において光を放つようにレーザを活性化し、電流をレーザ２５に伝導しないことにより、他の選択されない画素が非照明となるようにレーザを非活性化する。照明または非照明の画素の結果としてのパターンは、画像を構成し、該画像は、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任意の表示であり得る。パワーコントローラの代わりに、画素を非照明にするためにレーザビームを任意の所望の画素から離れるように偏向させ、レーザビームが第１のスキャンミラーに到達し得ないようにするために、音響光学モジュレータが用いられる。

図７を参照すると、ラスタパターン３０が拡大図で示される。レーザビームは、点５４で開始すると、慣性ドライブによって、水平方向に水平走査速度で点５６へと掃引され、走査線を形成する。その後、レーザビームは、垂直方向に沿って垂直走査速度で点５８へと掃引され、第２の走査線を形成する。連続する走査線の形成は同じ方法で進行する。

画像は、ラスタパターン３０において、パワーコントローラ５０を動作させることによりマイクロプロセッサまたは制御回路の制御の下で選択された時間にレーザを活性化するか、レーザをオンおよびオフにパルス化することによって、あるいは、レーザをオンに維持し、音響光学モジュレータを動作させることにより選択された時間にレーザビームを偏向することによって、作られる。所望の画像における画素が見えることが所望される場合のみ、レーザが可視光を生成し、オンにされるか、またはレーザビームが正しく偏向される。ラスタパターンは、各線における複数の画素および複数の線から作られるグリッドである。画像は選択された画素のビットマップである。あらゆる文字または数字、任意のグラフィカル設計またはロゴ、そして機械読取り可能バーコード記号でさえ、ビットマップ画像として形成され得る。

図７は、また、ハウジング１０にある光透過ポートまたは窓６０を示し、それを通って、画像は、一般的にプリント基板１６に垂直な方向で投射される。再び、図４を参照すると、レーザビームの光学通路は、レーザ／光学ケーシング１８とバウンスミラー３２との間に垂直レグ６２、走査ミラー３４の左に向かう傾斜レグ６４、走査ミラー３８の右に向かう水平レグ６６、および窓６０に向かい基板１６に対して垂直の方向の前方レグ６８（図７を参照されたい）を有する。画像は、画面１２などの任意の半透明面または反射面に投射され得る。

図８に示されるように、ホスト８０は、ビットマップ画像データ８２をメモリコントローラ７２によって制御されるメモリバッファ７０に送る。１つのフルＶＧＡフレームの記憶は約３００キロバイトを必要とし得る。１フレームがホストによって書き込まれことを可能にし、同時に別のフレームが読取られ投射されることを可能にするために、バッファ７０に２つのフルフレームに十分なメモリ（６００キロバイト）を有することが望ましい。一方、バッファのサイズがフルフレームより小さい場合、コントローラ７２は、メモリがホストから送られたデータで最大記憶容量に到達した後、またはバッファからの読取りおよびバッファへの書込みが同時にするとき、線の表示を開始し得る。フレーム同期信号８６はホストからコントローラ７２に送られる。

高速ミラーまたはＸ軸ミラーとして公知の第１の走査ミラー３４は、慣性ドライブ３６によって駆動され、メモリコントローラ７２によって制御される。同様に、低速ミラーまたはＹ軸ミラーとして公知の第２の走査ミラー３８は、電磁ドライブ４２によって駆動され、メモリコントローラ７２によって制御される。画像はＸ軸ミラーの前方および後方の両方の走査の間に投射され、画像データの１つおきの線が逆の順序で表示される。従って、ホストは、画像データをバッファに逆の順序で書込まなければならないか、またはメモリコントローラは、画像データを逆の順序で読取らなければならない。

Ｘ軸ミラーは、正弦曲線の速度のプロフィールを有する。所定の時間間隔において、レーザビームは、各走査線の端におけるよりも各走査線の中央においてより多くの画素を掃引する。画像歪みを避けるために、メモリコントローラ７２は、可変クロック速度で画素をクロック（ｃｌｏｃｋ）するか、またはホストは、バッファ７０を画素のサイズが変動するデータで満たす。可変クロック速度は固定サイズの画素が他のディスプレイと共用されることを可能にするので、可変クロック速度は好ましい技術である。

バッファの出力は、ディジタル信号８４であり、このディジタル信号は、ホストとフレーム同期（ｆｒａｍｅ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ）であり、Ｘ軸ミラー３４とクロックおよびライン同期（ｃｌｏｃｋ−ａｎｄ ｌｉｎｅ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ）である。このディジタル信号は、モジュレータ８８に送られ、モジュレータ８８は、レーザ２５を制御する。

図９〜図１０は、慣性ドライブ３６を分離して描く。前述の２００３年３月１３日出願の米国特許出願第１０／３８７，８７８号に記述されるように、上方における圧電変換器１１０、１１２の対は、走査ミラー３４の上のフレーム１１４の間隔を空けられた部分と接触し、ワイヤ１１６および１１８を介して周期交流電圧源に電気的に接続される。使用時、周期電圧源は、変換器１１０、１１２を交互に長さを伸縮させ、それによって、フレーム１１４をヒンジ軸１２０の回りに回転させる。走査ミラー３４は、ヒンジ軸の反対の端のフレームに接続され、共振振動数でヒンジ軸の回りで振動する。

下方における圧電変換器１２２、１２４の対は、走査ミラー３４の下のフレーム１１４の間隔を空けられた場所と接触する。変換器１２２、１２４は、フィードバックまたはピックアップ機構として働き、フレームの振動動作を監視し、電気フィードバック信号を生成し、ワイヤ１２６、１２８を介して電気フィードバック信号をフィードバック制御回路に伝える。

しかしながら変換器１１０、１１２によって誘導された振動は、変換器１２２，１２４によって検出され、フィードバック信号を破損する傾向があり、それによって投射された画像に対して不利な影響を及ぼす。従ってドライブおよびピックアップ機構は、好ましくは異なるように、例えば、両方の機構を圧電影響のもとで配置しないなどによって作られる。機構のうちの１つは機構の異なるタイプに基づく。例えば、図１０に示されるように、磁石１３０は、ミラー３４と連動して振動するようにミラー３４の後に接合して取り付けられ、図９に示されるように電磁フィードバックコイル１３２は、磁石１３０に隣接して取り付けられる。コイル１３２は、移動する磁石によって誘導される周期的な電磁界を感知し、変換器１１０、１１２からの振動から影響を受けない。

図１〜図２に戻ると、画面１２は、任意の複数の位置の１つのピボット１４においてハウジング１０において軸回転するように取り付けられる。例えば、図１に示されるように、画面１２は垂直面であり、ラスタパターン３０のビットマップ画像は、窓６０を通ってモジュール２０によって、像平面を規定する垂直画面に投射される。画面１２は、ハウジングの前からより都合良く見られるように水平に対して鈍角を形成するように、後に傾けられ得、それによって別の像平面を規定する。鋭角を含む他の角度も使用され得る。図２に示されるように、画面１２は、画面が傾斜した位置でハウジング１０を支持する角度位置へと軸回転され得る。この場合、画像は画面に投射されないで、代わりに、さらに別の像平面を規定する壁４０などの離れたディスプレイ表面に投射される。アクチュエータ１３４は、画像投射を開始するために手動で押される。従って、図１〜図２の実施形態において、画像は、ハウジングに対してオンボード（ｏｎ−ｂｏａｒｄ）で画面１２に多くの角度の任意の１つの角度で投射され得、またはハウジングに対してオフボード（ｏｆｆ−ｂｏａｒｄ）で壁４０またはその他のいくつかの類似のディスプレイ面に投射され得る。

図１１〜図１４の実施形態に移ると、カバー１４０は、画像投射モジュール２０が含まれるハウジング１４２に軸回転するように取り付けられる。カバー１４０は、図１１のハウジングの上面、端面および底面の上にある上部、端部および底部１４４、１４６、１４８を含む。上部および端部は、底部に対してヒンジ１５０の回りで多数の位置へと軸回転され、該多数の位置の１つは、図１３に示され、そこでは、上部１４４は、垂直面にあり、像平面のディスプレイ画面として働く。図１４に示されるように、上部および端部は、上部が水平に対して鈍角を形成するように、さらに後に傾斜され得、それによって、さらに別の像平面を規定する。底部１４８は、ハウジングからの選択された距離の任意の所望の位置にディスプレイ画面を位置させるために、ハウジングに向かっておよびハウジングから離れるようにスライド可能である。この場合もまた、アクチュエータ１５２は、所望の像平面において画像投射を開始するために手動で始動される。

図１５〜図１７の実施形態に移ると、ハウジング１５４は、キーパッドボタン１５６およびオンボードでのディスプレイ１５８を有する。一対のサイドアーム１６０、１６２は、ハウジング上にハウジングに対して直線的に移動するようにするためにスライド可能なように取り付けられる。ディスプレイ画面１６４は、アーム１６０、１６２の上および該アーム間に軸回転可能なように取り付けられ、多くの角度位置に移動可能であり、角度位置の１つは、図１６〜図１７に示される。画像投射モジュール２０は、ハウジングの中に含まれ、前のように、任意の選択された位置で画像を画面に投射するように動作する。実際、画面１６４がフラットであっても、投射された画像は、妨害されないで画面の上を通過し、例えば、壁４０などの離れた表面に投射される。

図１８〜図２４の実施形態に移ると、ハウジング１６６は、キーパッドボタン１６８およびオンボードディスプレイ１７０を有する。背面カバー１７２は、ハウジング１６６の上にハウジング１６６に対してスライド可能なように取り付けられる。ミラー１７４はカバー１７２に接合して取り付けられる。画像投射モジュール２０は、ハウジング内に含まれ、ディスプレイ１７０に反射するようにするために、画像をミラー１７２に（図２１に示されるようにカバーが閉じられている場合）、またはハウジングから離れたディスプレイ表面に（図２４に示されるようにカバーが開かれている場合）、投射するように動作する。

さらに他の実施形態は図２５〜図２７に示され、該実施形態においては、ハウジング１７６は、ゲームコントローラボタン１７８とハウジングに軸回転するように取り付けられたカバー１８０とを有する。一対のサイドアーム１８２、１８４は、カバーの反対側に軸回転するように取り付けられる。折り畳み可能な、柔軟性あるディスプレイ画面１８６は、アーム１８２、１８４の上におよびアーム１８２、１８４の間に取り付けられ、アーム１８２、１８４は、柔軟性ある画面をワイドな画面、すなわち、幅がハウジング１７６よりも大きい画面として広げるように、いっぱいに広げられる。カバー１８０にある窓６０は、ハウジング内に含まれた画像投射モジュール２０によって投射された画像を画面に通過させる。

図２６に最も良く見られるように、画面１８６は、アーム１８２および１８４が折り畳まれ、重なり合って係合するとき、それ自体に折り畳まれる。図２７は、カバー１８０が閉じられた状態のハウジング１７６を描く。

ワイドな画面ディスプレイのなおもさらなる実施形態は、図２８〜図２９に示され、該実施形態において、ハウジング１８８は、コントローラボタン１９０と、ハウジング１８８の反対側にあり、互いに向かっておよび離れるように移動可能な一対のサイドピース１９２、１９４を有する。柔軟性があり延伸可能なディスプレイ画面１９６は、サイドピース１９２、１９４上およびサイドピース１９２、１９４の間に取り付けられ、サイドピース１９２、１９４が離れるように移動した場合、画面１９６をよりワイドな画面、すなわち、幅がハウジング１８８よりワイドな画面に広げる。ハウジングにある窓６０は、ハウジング内に含まれた画像投射モジュールによって投射された画像を画面に通過させる。

新規のものとして請求され、開封特許状によって保護されることが所望される事柄は、付属の特許請求の範囲に述べられる。

図１は、本発明に従う、ある像平面に画像を投射するための装置の透視図である。 図２は、本発明に従う、別の像平面に画像を投射するための図１の装置の透視図である。 図３は、図１の装置に取り付けるための画像投射モジュールの拡大された上からの透視図である。 図４は、図３のモジュールの平面図である。 図５は、図２のモジュールの端立面図である。 図６は、図４の線６−６で切り取られた、モジュールのレーザ／光学アセンブリの拡大断面図である。 図７は、図１の線７−７で切り取られた拡大断面図である。 図８は、図３のモジュールの動作を描く電気的概略ブロック図である。 図９は、図２のモジュールのためのドライブの前面透視図である。 図１０は、図９のドライブの背面透視図である。 図１１は、本発明に従う閉位置における別の装置の透視図である。 図１２は、持ち上げられたカバーを有する図１１の装置の透視図である。 図１３は、ある像平面に画面を有する図１１の装置の側面図である。 図１４は、別の像平面に画面を有する図１１の装置の透視図である。 図１５は、本発明に従う別の画像投射装置の透視図である。 図１６は、展開されたディスプレイ画面を有する図１５の装置の透視図である。 図１７は、図１６の装置の側立面図である。 図１８は、本発明に従うさらに別の画像投射装置の透視図である。 図１９は、図１８の装置の側立面図である。 図２０は、図１８の装置の背立面図である。 図２１は、図１９の線２１−２１で切り取られた断面図である。 図２２は、図１９に類似の図であるが、移動したパネルを有する。 図２３は、図２０に類似の図であるが、移動したパネルを有する。 図２４は、図２２の線２４−２４で切り取られた断面図である。 図２５は、本発明に従うさらに別の画像投射装置の分解透視図である。 図２６は、ディスプレイ画面を折り畳んいる間の図２５の装置の透視図である。 図２７は、ディスプレイ画面が折り畳まれた後の図２６の装置の透視図である。 図２８は、本発明に従うさらなる画像投射装置の透視図である。 図２９は、ディスプレイ画面を展開している間の図２８の装置の透視図である。

Claims (1)

1. 様々な像平面に二次元画像を投射する装置であって、
   該装置は、
   窓（６０）を有するハウジング（１０）と、
   該ハウジング（１０）内の画像投射モジュール（２０）であって、該画像投射モジュール（２０）は、該窓（６０）を介して走査線のパターンを掃引し、各走査線は、複数の画素を有し、該画像投射モジュール（２０）は、選択された画素を照明し、見えるようにして、各画像を生成する、画像投射モジュール（２０）と、
   該ハウジング（１０）に旋回可能に取り付けられた可動パネル（１２）であって、該可動パネル（１２）は、複数の第１のディスプレイ位置および第２のディスプレイ位置間を旋回移動し、該複数の第１のディスプレイ位置の各々において、第１の二次元画像は、該パネル（１２）の第１のディスプレイ表面に投射され、該第２のディスプレイ位置において、第２の二次元画像は、該ハウジング（１０）から遠くにある第２のディスプレイ表面に投射され、該パネル（１２）はまた、該第２のディスプレイ位置において、傾斜した状態で該ハウジング（１０）を支持するように作用する、可動パネル（１２）と
   を備える、装置。

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