JP5091112B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光などのコヒーレント光をスクリーン上へ投射し、画像情報を表示するプロジェクションタイプの画像投射装置に関する。

スクリーンに画像を投射する画像投射装置（単に、プロジェクターとも呼ばれる）の光源として、レーザを用いることが検討されている。レーザは、従来の画像投射装置に用いられている白色電球に比べて、色純度の高い光を出射することができる。このため、投影する画像の色再現性が向上することが期待されている。

また、半導体レーザを用いることによって、従来の白色電球を分光するのに必要なダイクロイックミラーなどを省略できるため、光学系の構造を小型で簡単にすることができ、また、光の利用効率を高めることができる。このため、小型で省電力の画像投射装置が実現することが期待されている。

さらに、レーザを光源として用いる場合、細く絞ったレーザビームを走査させることが可能である。このため、画像投射装置の光源としてレーザを用いる場合、ミラー等の走査手段によってレーザビームを２次元に走査させて画像を形成するスキャン方式の画像投射装置を実現することができる。

スキャン方式の画像投射装置の場合、画像の形成はレーザの強度を変調することによって行われる。このため、レーザ光源を用いたスキャン方式の画像投射装置は、液晶パネルやＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）など２次元の画像表示デバイスを用いた通常の画像投射装置に比べ、さらに省電力であり、また、２次元画像デバイスを均一に照明する照明光学系が不要であるため、さらに小型化が期待できる。

これらの利点を利用することにより、スキャン方式のレーザ画像投射装置を小型のモバイル機器に搭載することも可能である。たとえば、元来大型のディスプレイを搭載し難い携帯電話等の小型携帯機器でも大画面表示が楽しめるようにすることが可能となる。

たとえば、特許文献１は、水平方向に往復走査し、垂直方向にはステップ状の駆動信号により、水平走査中は垂直走査をやめるようにしてレーザビームをラスター走査させるレーザ走査型の画像投射装置を開示している。

また、特許文献２は、偏向周波数ｆ１、ｆ２をｆ１：ｆ２＝ｎ：ｍとしてリサージュパターンを描き、リサージュパターンの一巡する周波数ｆｒ＝ｆ１／ｎ＝ｆ２／ｍで画像を表示するレーザ走査型の画像投射装置を開示している。

レーザ光などのコヒーレント光をスクリーンに投射して画像を表示する場合、投射面を反射したレーザ光が干渉することによって、スペックルノイズが発生し、投影された画像がぎらぎらと見えたり、画像に明暗が発生したりすることが知られている。

図４に示すように、スクリーンなどの投射面３０１は、通常完全な平面ではなく、凹凸を有している。このような投射面３０１にレーザ光源３０４からレーザビーム２および３が投射された場合、投射面３０１が凹凸を有しているため、反射光がＡ点で交差する。レーザ光源３０４からＡ点までのレーザビーム２および３の光路差はレーザビームの波長の整数倍であれば、レーザビーム２および３は、干渉によって互いに強め合う。一方Ａ点までのレーザビーム２および３の光路差が１／２波長の整数倍であれば、レーザビーム２および３は、干渉によって互いに弱め合う。

このようにして、画像上には、輝度の高い部分と低い部分がスペックルノイズとして現れる。その結果、投射された画像の画質が低下する。

スペックルノイズを低減するために、特許文献３は、気流によりスクリーンを振動させ、スクリーンの表面の凹凸を移動させることを提案している。
特許第２７２４０１６号公報 米国特許第６８４３５６８号明細書 特開２００５−１０７１５０号公報

しかしながら特許文献３に開示された方法によれば、専用のスクリーンが必要となる。このため、たとえば、画像投射装置とスクリーンを一緒に持ち運びする必要があり、画像投射装置が小型化され、携帯電話に搭載されるようになったとしても、携帯電話よりもはるかに大きいスクリーンを一緒に持ち運ぶ必要が生じるという課題が生じる。

本発明は、このような従来の課題を解決し、投影する画像のスペックルノイズを抑制することが可能な画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明の画像投射装置は、投影すべき画像に基づく変調信号に従って強度変調されたレーザビームを出射する光源と、前記レーザビームがスクリーンを所定のパターンで繰り返し走査することによって画像を形成するように前記レーザビームを二次元的に偏向させるビーム偏向部とを備え、前記所定のパターンの繰り返しの周波数は、前記画像のフレームレートよりも低くなっている。

ある好ましい実施形態において、前記所定のパターンは、リサージュパターンである。

ある好ましい実施形態において、前記ビーム偏向部は、第１偏向軸および第２編光軸まわりにそれぞれ第１偏向周波数ｆ１および第２偏向周波数ｆ２で偏向し、偏向されたビームがリサージュパターンを形成するよう、ｆ１：ｆ２＝ｎ：ｍ（ｍ、ｎは互いに素な整数）を満たしており、前記パターンの繰り返しの周波数をｆｒとしたとき、ｆｒ＝ｆ１／ｎ＝ｆ２／ｍである。

ある好ましい実施形態において、前記ビーム偏向部は、２軸について共振駆動され、前記レーザビームを反射するミラー部を備える。

ある好ましい実施形態において、前記所定のパターンは、ラスター走査パターンである。

ある好ましい実施形態において、前記ビーム偏向部は、マイクロマシン加工技術によってシリコンウエハに形成されたＭＥＭＳミラーデバイスである。

本発明の画像投射システムは、上記いずれかに規定される画像投射装置と、投射されたビームを反射または透過するスクリーンを備える。

本発明によれば、少なくとも隣接する２つの画像フレームにおいて、レーザビームが走査する軌道が異なるため、異なるパターンのスペックルノイズが重ね合わされて平均化され、ノイズが目立たなくなる。これにより、投影する画像の画質が向上する。

以下、図面を参照しながら、本発明による画像投射装置の実施形態を説明する。

図１は、画像投射装置１００の構成を示すブロック図である。画像投射装置１００は、光源１とビーム偏向部６とを備える。

画像投射装置１００がカラー画像を投影する場合、光源１は好ましくは、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色のレーザビームをそれぞれ放射する３つの光源ユニットを含む。光源１の３つの光源ユニットから出射したレーザビームは、それぞれのコリメートレンズ２によって絞り込まれ、ダイクロイックプリズム３で合成されて１本のレーザビーム４となる。レーザビーム４は、ビーム偏向部６によって２次元的に偏向され、開口７からスクリーン２０に投射される。

レーザビーム４をスクリーン２０に投射することによって画像を表示するために、レーザビーム４は、投影すべき画像に基づく変調信号に従って強度変調されており、また、ビーム偏向部６は、レーザビーム４がスクリーンを所定のパターンで繰り返し走査することによって画像を形成するようにレーザビーム４を二次元的に偏向させる。このために、画像投射装置１００は、制御部１１と、レーザ変調部１２とミラー駆動部１３とを含む。

制御部１１は、表示される画像の画像信号１０を受け取り、レーザ変調部１２およびミラー駆動部１３へ制御信号を出力する。ミラー駆動部１３は、制御部１１から受け取る制御信号に基づき、ビーム偏向部６を駆動する。以下において詳細に説明するように、ビーム偏向部６はミラー部を備え、ミラー駆動部１３によってミラー部がレーザビーム４を二次元的に偏向させるように駆動される。

ビーム偏向部６は、スキャンミラーの変位角度を示す角度変位信号１６を生成し、制御部１１へ出力する。これにより制御部１１はビーム偏向部６をフィードバック制御する。

制御部１１は、角度変位信号１６に基づきスクリーン２０に投射されたビームスポット位置を算出し、算出したビームスポット位置および画像信号１０のデータから、光源の強度変調信号を計算し、レーザ変調部１２に出力する。レーザ変調部１２は、強度変調信号に基づき光源１の光強度を変調する。

図２はビーム偏向部６の一例を示す斜視図である。ビーム偏向部６は、好ましくは、シリコンウエハにマイクロマシン加工技術を用いて作製したＭＥＭＳミラーデバイスである。

具体的には、ビーム偏向部６は、たとえば、厚さ１００μｍのデバイス層６３、厚さ数μｍの絶縁層６２、および厚さ５００μｍのハンドル層６４が積層させたＳＯＩウエハから、マイクロマシニング技術により形成される。

ビーム偏向部６は、中央に配置されたミラー部６５、ミラー部６５の周辺部に設けられた中間フレーム６６および中間フレーム６６を囲むように最外周部に設けられた外枠部７３を含む。これらの要素は、デバイス層６３をエッチングすることにより形成される。外枠部６６以外の要素では、裏面からのエッチングにより、ハンドル層６４が除去されている。

中間フレーム６６は外枠部７３に対して、Ｘヒンジ６７によりＸ軸まわりに回動可能に支持されている。また、ミラー部６５は中間フレーム６６に対して、Ｙヒンジ６８によってＹ軸回りに回動可能に支持されている。さらに、ミラー部６５および中間フレーム６６には、互いに噛み合うＸ櫛型電極６９ａおよび６９ｂがそれぞれ設けられており、中間フレーム６５および外枠部６６には互いに噛み合うＹ櫛型電極７１ａおよび７１ｂがそれぞれ設けられている。なお、Ｘ櫛型電極６９ａおよび６９ｂやＹ櫛型電極７１ａおよび７１ｂの櫛は見やすいように拡大して描かれており、実際の形状を正確には示していない。

中間フレーム６６に形成された分離溝７４により分離された帯状の電極によって、ミラー部６５はＸパッド８０に、中間フレーム６６はグランドパッド８２に電気的に接続されている。外枠部６６はＹパッド８１に接続されている。分離溝７４によって中間フレーム６５が分断されないように、中間フレーム６６の裏面には、裏打ちとして機能する薄くしたハンドル層６４の一部が残されている。

このような構成により、グランドパッド８２をグランドレベルとしてＸパッド８０に電圧を印加すると、Ｘ櫛型電極６９ａに駆動電圧が印加され、Ｙパッド８１に電圧を印加するとＹ櫛型電極７１ｂに駆動電圧が印加される。Ｘ櫛型電極６９ａおよびＹ櫛型電極７１ｂに電圧が印加されると、それぞれミラー部６５、中間フレーム６６が傾いた状態で、中立位置に戻る方向に静電力が働く。

ミラー部６５および中間フレーム６６の慣性モーメントとヒンジのばね定数で決まる共振周波数の２倍の周波数のパルス電圧を印加すると、ミラー部６５がＹ軸周りに共振し、中間フレーム６６はＸ軸周りに共振し、回動振動する。従って、ミラー部６５に照射されたレーザビームが２次元偏向される。ミラー部６５および中間フレーム６６の共振周波数を決定する慣性モーメントおよびヒンジのばね定数は、ミラー部６５および中間フレーム６６の形状や質量、Ｘヒンジ６７およびＹヒンジ６８の形状や材質に基づくばね定数によって定まる。したがって、これらを調整することによって、所望の共振周波数でミラー部６５および中間フレーム６６を回転振動させることができる。つまり、ミラー部６５をＸ軸およびＹ軸回りに所望の共振周波数で回転振動させることができる。

なお、本実施形態では、ビーム偏向部６のミラー部６５は、２軸回りに回転振動することができるが、１軸にのみ回転振動が可能なミラー部を備えるビーム偏向部を２つ備えることによっても同様の機能を実現することができる。

次に本実施の形態の画像表示方法について説明する。

図１に示すように、ビーム偏向部６によって二次元的に偏向されたレーザビーム４はスクリーン２０上にビームスポット軌跡２１を描く。前述したように、ビーム偏向部６のミラー部６５は、２軸回りに共振駆動される。これにより、走査させるレーザビーム４はリサージュ曲線からなるパターンを描く。

リサージュ曲線は、互いに直交する２つの単振動を合成して得られる軌跡が描く平面図形である。一般に、２つの単振動の振動数比が大きいほど、リサージュ曲線は曲線が少しずつずれながら平行四辺形領域内をより稠密に走査するパターンを描く。たとえば、ある時刻において点２１ａを描いたレーザビームは、少し走査位置をずらしながらリサージュ曲線を描き、所定の周期で再び点２１ａに戻る。本願明細書では、描画が一巡するまでに描かれる曲線をリサージュパターンと呼ぶ。

たとえば、Ｙ軸およびＸ軸回りの共振駆動によって水平方向および垂直方向に偏向する周波数をｆ１、ｆ２とする。ｆ１とｆ２とが互いに素な整数比で表すことができる場合、つまり、ｆ１：ｆ２＝ｍ：ｎ（ｍ、ｎは互いに素な整数）と表すことができる場合、レーザビーム４は、所定の周期ｆｒで同じリサージュパターンを繰り返して描く。このｆｒは以下の式で表される。
ｆｒ＝ｆ１／ｎ＝ｆ２／ｍ ・・・（１）

リサージュパターンではラインピッチが場所によって異なる。最大のラインピッチΔは以下の式で表される。
Δ＝π・ｐｖ・ｆｒ／２ｆｈ ・・・（２）

ここで、ｐｖは垂直画素数、ｆｈは水平偏向周波数である。少なくともこの最大ラインピッチを１ピクセル以下にすれば、所望の解像度で画像を表示できる。つまり、最大のラインピッチΔが１以下であればよい。この場合、以下の式（３）を満たせばよい。
π・ｐｖ・ｆｒ／２ｆｈ＜１ ・・・（３）

式（３）をｆｈについて解くと、式（４）が得られる。
ｆｈ＞π・ｐｖ・ｆｒ／２ ・・・（４）

たとえば、投射する画像の解像度がＶＧＡ（６４０×４８０ピクセル）であり、フレームレートが３０Ｈｚである場合、水平偏向周波数ｆｈは以下に示すように２２６１９Ｈｚ以上であればよい。
ｆｈ＞π×４８０×３０／２＝２２６１９Ｈｚ ・・・（５）

たとえば、ｆｈ＝ｆｒ×ｎ＝３０×７５６＝２２６８０Ｈｚとし、ｎと互いに素なｍとして、たとえば６１を選び、垂直変更周波数ｆｖを以下の式（６）の計算に基づき、１８３０Ｈｚとする。
ｆｖ＝３０×６１＝１８３０Ｈｚ ・・・（６）

このように、水平偏向周波数ｆｈおよび垂直変更周波数ｆｖをそれぞれ２２６８０Ｈｚおよび１８３０Ｈｚに設定すれば、ビーム偏向部６のミラー部６５は、３０Ｈｚの周波数でリサージュパターンを繰り返し、画像を表示する。つまり、スクリーン２０上のビームスポットの軌跡２１は３０Ｈｚで繰り返して表示される。

特許文献２によれば、このように、画像のフレームレートとリサージュパターンの繰り返し周波数とは一致している。このため、各フレームを表示する際、レーザビームは同一の軌跡をたどることとなる。スペックルノイズはレーザビームの軌跡に依存するので、フレームごとに同じスペックルノイズのパターンが繰り返し表示されることになってしまう。

そこで、本実施形態の画像投射装置では、リサージュパターンの繰り返しの周波数、つまり、リサージュパターンが一巡する周波数を画像のフレームレートよりも低く設定する。具体的には、たとえば、リサージュパターンの繰り返し周波数を１５Ｈｚに設定する。以下の式（７）、（８）に示すように、この場合、水平偏向周波数ｆｈおよび垂直変更周波数ｆｖをそれぞれ２２６８０Ｈｚおよび９１５Ｈｚに設定する。
ｆｈ＝１５×１５１２＝２２６８０Ｈｚ ・・・（７）
ｆｖ＝１５×６１＝９１５Ｈｚ ・・・（８）

このとき、垂直画素数Ｐｖは以下の式（９）で計算されるように、９６２．６となる。
ｐｖ＝２ｆｈ／π・ｆｒ＝９６２．６ ・・（９）

つまり、リサージュパターンの繰り返し周波数が１５Ｈｚとなり、２倍の垂直画素数で画像を表示する。

したがって、繰り返しの単位となるリサージュパターンが２フレーム分の画像を表示するようにレーザ変調部１２が光源から出射するレーザビームの強度を変調すれば、実質的に３０Ｈｚのフレームレートで画像表示ができる。この場合、隣接する２つのフレームでは異なる軌道を通ったリサージュパターンによって画像が表示されることとなる。

表示画像のフレームレートに対し、リサージュパターンの繰り返し周波数をＡ分の１に設定すれば、Ａフレームの異なる軌道で表示された画像を重ねることになる。このため、画像に生じるスペックルパターンが平均化されて目立たなくなる効果を有する。一般に、独立したＡ個のスペックルパターンを重ねると、スペックルノイズのコントラストは１／√Ａに低減することが知られている。したがって、本実施形態によれば、従来と比べて、スペックルノイズが１／√２に低減された画像を表示することが可能となる。

このように本実施形態によれば、表示される画像のフレーム毎にレーザビームが異なる軌道を通って走査するため、フレーム毎に生じるスペックルパターンを異ならせることができる。その結果、網膜に生じる輝度ムラが重ね合わされて平均化され、ノイズが目立たなくなり、投影する画像の画質を向上させることができる。実際の映像のフレームレートに対して、表示レートを２倍速以上とし、そのレートに対して走査の一巡周波数を上記のように設定すれば、よりちらつきを低減することもできる。

式（４）、（５）から明らかなように、水平偏向周波数ｆｈは、投影する画像の解像度に依存し、リサージュパターンの繰り返し周波数は、水平偏向周波数ｆｈと垂直偏向周波数ｆｖの比率を変えることによって調整できる。したがって、ビーム偏向部６のミラー部６５の共振周波数を大きく変えることなく、リサージュパターンの繰り返し周波数を調整できる。

また、ミラー部６５を共振駆動することにより、比較的低い電圧で大きな偏向角度を得ることができる。特に、ミラー部にマイクロマシニングで形成したＭＥＭＳミラーを用いることにより、１ｍｍ角程度の大きさのミラー部６５を備えたビーム偏向部６を低コストで生産することが可能である。したがって、本発明によれば、特に携帯型の画像投射装置に適した小型で安価な構成で画質の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、レーザビームをリサージュパターンによって走査し、画像を形成する例を説明した。しかし、投影する画像を他のパターンの繰り返しでレーザビームが走査してもよい。たとえば図３に示すように、スクリーンの領域２０ａにおいて、長さＸ₀で水平方向に往復走査し、領域２０ａの水平方向の両端では、垂直方向に長さＹ₀走査するようにしてレーザビームをラスター走査させることによって、ビームスポットの軌跡２１’が形成されるようにビーム偏向部６を駆動してもよい。図３に示すラスター走査パターンを繰り返すことにより画像を形成する場合も、繰り返しの周波数を画像のフレームレートよりも低くすることによって、画像に生じるスペックルパターンが平均化されて目立たなくなる効果を有する。図３以外のパターンによってレーザビームを走査させてもよい。

また、図１において、リサージュパターンによってレーザビームが走査する領域と投影される画像の領域２０ａは一致していた。しかし、リサージュパターンによるレーザビームの走査する領域は投影される画像の領域２０ａよりも大きくてもよい。この場合には、画像の領域２０ａ内をレーザビームが走査している間、レーザの出力を高め画像が表示されるようにし、領域２０ａ外を走査している間は、レーザの出力を低下させ、実質的にレーザビームによる反射光が知覚させないようにしてもよい。これにより、リサージュパターンの外周部分を画像表示に利用しないようにし、画像の領域２０ａの外周部分のビームの軌跡密度が高くなり、中心部分に比べて輝度が高くなるのを防止することができる。

また、本実施形態では、フロントプロジェクションタイプの画像投射装置を説明したが、本発明は、リアプロジェクションタイプの画像投射装置にも好適に用いることができる。この場合、本発明は、本実施形態で説明した画像投射装置と、画像投射装置から出射するレーザビームが投影されるスクリーンとを備え、スクリーンを透過した画像がユーザに知覚されるようにスクリーンおよび画像投射装置が配置されたリアプロジェクションタイプのテレビジョンなどの画像投射システムに適用することもできる。

本発明は、レーザ光源を用いる種々の画像投射装置に好適に用いられ、特に、偏向ミラーを用いてレーザを走査する携帯型の画像投射装置に好適に用いられる。

本発明による画像投射装置の一実施形態の構成を示す図である。 図１に示す画像投射装置のビーム偏向部の構造を示す斜視図である。 画像を形成するためのレーザビームの走査パターンの他の例を示す図である。 スペックルノイズの発生を説明する模式的な図である。

符号の説明

１ 光源
２ コリメートレンズ
３ ダイクロイックプリズム
４ 投射ビーム
６ ビーム偏向部
７ 開口
１０ 画像信号
１１ 制御部
１２ レーザ変調部
１３ ミラー駆動部
１６ 角度変位信号
２０ スクリーン
２１ ビームスポット軌跡
６２ 絶縁層
６３ デバイス層
６４ ハンドル層
６５ ミラー部
６６ 中間フレーム
６７ Ｘヒンジ
６８ Ｙヒンジ
６９ａ、６９ｂ Ｘ櫛型電極
７１ａ、７１ｂ Ｙ櫛型電極
７３ 外枠部
７４ 分離溝
８０ Ｘパッド
８１ Ｙパッド
８２ グランドパッド

Claims (5)

1. 投影すべき画像に基づく変調信号に従って強度変調されたレーザビームを出射する光源と、
   前記レーザビームがスクリーンを所定のパターンで繰り返し走査することによって画像を形成するように前記レーザビームを二次元的に偏向させるビーム偏向部と、
   を備え、
   前記所定のパターンの繰り返しの周波数は、前記画像のフレームレートよりも低くなっており、
   前記所定のパターンは、リサージュパターンであり、
   前記画像のフレームレートに対し、前記リサージュパターンの繰り返し周波数をＡ分の１（Ａは整数）に設定し、Ａフレームの異なる軌道で表示された画像を重ねる、画像投射装置。
2. 前記ビーム偏向部は、第１偏向軸および第２編光軸まわりにそれぞれ第１偏向周波数ｆ１および第２偏向周波数ｆ２で偏向し、
   偏向されたビームがリサージュパターンを形成するよう、ｆ１：ｆ２＝ｎ：ｍ（ｍ、ｎは互いに素な整数）を満たしており、前記パターンの繰り返しの周波数をｆｒとしたとき、ｆｒ＝ｆ１／ｎ＝ｆ２／ｍである請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記ビーム偏向部は、２軸について共振駆動され、前記レーザビームを反射するミラー部を備える請求項２に記載の画像投射装置。
4. 前記ビーム偏向部は、マイクロマシン加工技術によってシリコンウエハに形成されたＭＥＭＳミラーデバイスである請求項３に記載の画像投射装置。
5. 請求項１から４のいずれかに規定される画像投射装置と、投射されたビームを反射または透過するスクリーンとを備える画像投射システム。

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