JP5392958B2 - 複数のレーザのずれ検出及び補正装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザに関する。特に、本発明は、投写型表示装置（projection display）やその他のレーザ装置のように、マルチレーザビーム（multiple laser beam）を採用している装置における各レーザビームのずれ（misalignment）を検出し、補正するビームずれ検出及び補正装置及び方法に関する。

マルチレーザビームは、映画館における前面及び背面投写型表示装置（front and rear projection devices）、ホームシアターシステム、自動車や飛行機のコックピットで使用するヘッドアップディスプレイ（heads-up display）、設計用のワークステーション等を含む様々な要求が厳しい用途（demanding application）で使用されている。このような用途では、殆どの場合、最高の表示品質を得るために、マルチレーザビームの正確な同軸位置合わせ（coaial alignment）が要求される。通常は、マルチレーザビームの各レーザビームの波長は異なる。

レーザビームの好ましくない偏差（deviation）は、投写型表示装置の用途では特に問題であり、レーザビームのずれにより画質が著しく劣化する。レーザ投写型表示装置において、光学素子は長い時間が経つと位置がずれる（shift）こともあり、それに応じて、レーザビームの光路に不適切な偏差が生じ、表示品質が劣化する。消費者は、信頼性の高い、高品質の表示を要求する。

例えば、レーザ投写型表示装置は、赤色レーザビーム、青色レーザビーム、緑色レーザビームから成るマルチ同軸レーザビームを有する。コントローラは、画像情報を用いて制御信号を生成し、これらを１つ以上の光変調器（light modulator）及びスキャナに供給する。光変調器は、コントローラから供給される制御信号に基づいて、マルチ同軸レーザビームの全体の色を調整するために、各レーザビームの強度を選択的に変調する。そして、スキャナ（投写光学系（projection optics））は、変調ビームをスクリーンに投射してスクリーンの所定位置にドット（画素）を形成する。スクリーン全体を走査しながら、光変調器及び関連する制御信号によって各画素の色を選択的に制御することにより、所望の画像情報が表示される。

所望の軸に対する同軸レーザビームのずれは、スクリーン上におけるビームのコンバーゼンス（convergence）を悪化し、これにより画像が劣化する。更に、同軸レーザビームのずれは、光変調器の入射面に対する適切な照明（illumination）の妨げとなり、表示の明るさが低下し、画像アーチファクト（image artifacts）が現れ、正確な不均一補正（non-uniformity correction）を妨げ、スクリーン上の輝度に画素毎の好ましくない変動が生じる。

発明が解決しようとする課題

マルチレーザビームを採用したレーザの応用は比較的新しく、複数のレーザビームを自動的に位置合わせする（aligning）ビーム位置決め装置（beam orientation system）の開発は進んでいない。個々のレーザビームを所定の光学軸に位置合わせする装置及び方法は、技術的に知られている。しかしながら、既存の装置では、一般的に、正確かつ自動的に、ビームのずれを検出し、複数のレーザビーム又は１組の近接した平行ビームを調整することはできない。

したがって、当該技術分野では、レーザビームのずれを自動的に検出して補正する効率の良い装置及び方法が必要とされている。更に、所定の光学軸に沿った複数のレーザビームのずれを効率良く自動的に検出して補正する装置が必要とされている。

課題を解決するための手段

この技術的ニーズは、本発明に係る複数のビームのずれ検出装置により対応される。具体例において、本発明に係るビーム偏差検出装置は、レーザプロジェクタと共に使用されるように構成される。このビーム偏差検出装置は、複数のビームから個々の成分ビームを自動的に且つ選択的に分離し、この分離された個々の成分ビームの各々を出射する第１の機構を備える。第２の機構は、第１の機構から入射される個々の成分ビームの軸に対するずれを検出する。

特定の具体例において、更に、ビーム偏差検出装置は、検出したずれを自動的に補正する機構を備える。第１の機構は、複数のビームをサンプリングし、分岐した複数のビームを出射するサンプリング機構を備える。このサンプリング機構は、コリメーティングレンズ又はピックオフビームスプリッタを備える。個々の成分ビームは、赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを含む。カラーホイールは、分岐された複数のビームから赤色ビーム、緑色ビーム及び／又は青色ビームを選択的に分離し、この分離された成分ビームを出射する。ビームスプリッタは、分離された成分ビームを第１の分離ビームと第２の分離ビームに分割し、第１の分離ビームと第２の分離ビームをそれぞれ第１の光路と第２の光路に分岐する。第１の光路は第１の光検出器で終了し、第２の光路は第２の光検出器で終了する。第１の光路と第２の光路は長さは所定の距離だけ異なる。第１の制御アルゴリズムは、第１の光検出器上における第１の分離ビームの相対位置と、第２の光検出器上における第２の分離ビームの位置とを所定の距離に基づいて比較し、この比較に応じたビーム偏差信号を出力する。第２の制御アルゴリズムは、分離ビームに関するビーム偏差信号により示されるビーム偏差を補正するように補正装置を動作させる。

第１の代替的具体例において、第１の光路は、第１の電気的に制御可能なシャッタを通り、第１の反射器で反射し、ビームスプリッタを通り、単一の光検出器の表面に至る。第２の光路は、第２の電気的に制御可能なシャッタを通り、第２の反射器で反射し、ビームスプリッタを通り、単一の光検出器の表面に至る。第２の機構は、第１及び第２の電気的に制御可能なシャッタを介して単一の光検出器の表面上にそれぞれ第１及び第２のスポットを形成する第１及び第２の分離ビームを選択的に遮断するコンピュータを備える。コンピュータは、第１及び第２のスポットの位置を解析して、分離ビームに関するビーム偏差又はずれを測定する。

第２の代替的具体例において、サンプルを分岐（redirect）する分岐機構は、複数のビームから第１のサンプルを第１の光路に沿う方向、第２のサンプルを第２の光路に沿う方向にそれぞれ分岐する直線上に配設された第１のピックアップビームスプリッタと第２のピックアップビームスプリッタを備える。第１の光路は第１のカラーホイールを通って第１の光検出器の表面上で終了する。第２の光路は第２のカラーホイールを通って第２の光検出器の表面上で終了する。第１の光路と第２の光路の長さは所定の距離異なる。コントローラは、第１及び第２のカラーホイールを制御し、第１及び第２のカラーホイールから出射される分離ビームに関するビーム偏差を計算する。

本発明に係る新規な設計は、第１の機構により容易に達成され、この第１の機構は、複数のレーザビームの個々の成分ビームを自動的かつ選択的に分離し、解析することにより、所望の光学軸に対するビームの位置及び方向の偏差を検出することができる。成分ビームの偏差を検出した後、補正することにより正確に位置が合った複数のビームが得られる。したがって、本発明に係る複数のビームの偏差検出及び補正装置を使用することにより、複数の正確に位置の合ったレーザビームが要求される関連したレーザ投写型装置やその他のアプリケーションは効率良く、高い信頼性で動作することができる。

本明細書においては、本発明を特定の用途における具体例について説明するが、本発明は、それらには限定されないと解すべきである。本明細書で提示する教示を利用する当業者は、本発明の範囲及び本発明が有用と示唆される更なる技術分野から逸脱することなく、更なる変更形態、応用及び具体的形態を認識するであろう。

図１は、本発明の教示に基づいて構成されたレーザ投写型装置（laser projection system）１０の構成を示すブロック図であり、レーザ投写型装置１０は、本発明独特のマルチビーム偏差検出装置（muliple beam deviation detection system）１２と、ビーム偏差補正装置（deviation correction system）１４とを備える。説明を明瞭にするために、図１においては、電源装置、画像入力装置等の様々な構成装置を省略しているが、本明細書で提示する教示を利用する当業者にとっては、必要な構成部品をどこにどのように追加すべきかは明らかである。

レーザ投写型装置１０は、赤色レーザ１６と、緑色レーザ１８と、青色レーザ２０とを備え、これらの出射レーザビームは、第１のセットの照明光学系（illumination optics）２２、第２のセットの照明光学系２４及び第３のセットの照明光学系２６にそれぞれ入射される。第１のセットの照明光学系２２、第２のセットの照明光学系２４及び第３のセットの照明光学系２６の出射レーザビームは、赤色用の光変調器２８、緑色用の光変調器３０及び青色用の光変調器３２にそれぞれ入射される。光変調器２８、３０、３２の出射レーザビームは、ビーム合成器（beam combiner）３４に入射される。ビーム合成器３４は、略一致した光学軸に沿ったマルチビームを（multiple beams directed along aproximarely similar optila axis）ピックオフレンズ（pickoff lens）３６に入射し、ピックオフレンズ３６は、マルチビーム、すなわち略同軸の（approximately coaxial）レーザビームをマルチビーム偏差検出装置１２及びビーム偏差補正装置１４に入射する。所望の軸からの成分ビーム（component beams）のずれ（misalignment）、すなわち偏差（deviation）について補正した略同軸のマルチビーム（multiple approimately coaxial beams）は、投写光学系（projection optics）３８に入射される。コントローラ４０は、入力として表示データが供給され、光変調器２８、３０、３２及び投写光学系３８に制御信号を入力する。投写光学系３８は、マルチビーム、すなわち略同軸のレーザビームを表示スクリーン４４に投射する。

マルチビームは、幾つかの平行な成分ビームであってもよいが、本明細書で説明するレーザ投写型装置の応用では、典型的には、マルチビームの所望の軸に対応する略一致した光学軸に沿って進むマルチビームを使用する。典型的には、本明細書で説明するレーザ投写型装置の応用においては、マルチビームは、所望の軸から著しくずれることはなく、１つ以上の成分ビームがピックオフレンズ３６等の本発明で使用する各種光学素子の入射面から外れるようなことはない。

次に、動作について説明する。照明光学系２２、２４、２６は、赤色レーザ１６、緑色レーザ１８、青色レーザ２０から出射される赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光をそれぞれ整形して、光変調器２８、３０、３２にそれぞれ入射する。赤色レーザビーム、緑色レーザビーム、青色レーザビームは、それぞれ照明光学系２２、２４、２６により、通常は光変調器２８、３０、３２の入射面の寸法に基づいて、光変調器２８、３０、３２で受光されるレーザエネルギが最大となるように整形される。

コントローラ４０は、表示データ４２を用いて光変調器２８、３０、３２を制御する制御信号を生成する。制御信号の指示により、光変調器２８、３０、３２は、表示すべき画像データに基づいて赤色レーザビーム、緑色レーザビーム、青色レーザビームの強度プロファイル（intensity profile）を選択的に調整、すなわち変調する。そして、変調レーザビームは、ビーム合成器３４により合成されて、略一致した光学軸を有するマルチビームとなる。

表示データ４２は、典型的には、異なる色の画素に分けられる。赤色、緑色及び青色の各レーザビームの強度プロファイルをそれぞれ光変調器２８、３０、３２を介して個々に制御することにより、画素の色が決まり、この画素の色は、ビーム合成器３４によって出射される合成されたマルチビームの色に対応する。

ビーム合成器３４によって出射される変調マルチビームのごく一部は、ピックオフレンズ３６によりピックオフされ、すなわち分岐(redirect)又はサンプリングされ、マルチビーム偏差検出装置１２に送られる。マルチビームの残りの部分は、ビーム偏差補正装置１４に送られる。

当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、例えばビームスプリッタのようなピックオフレンズ３６以外の機構を使用して、ビーム合成器３４の出力の一部をピックオフすることができる。また、ピックオフレンズ３６によりピックオフされるマルチビームのエネルギの割合は、応用に特有であり、与えられた応用の要求に合わせて当業者が決めることができる。

マルチビーム偏差検出装置１２は、ピックオフされたマルチビームを解析して、赤色のレーザ成分、緑色のレーザ成分及び／又は青色のレーザ成分がマルチビームに関する１つ以上の所定の望ましい光学軸と適切に合っているか判定する。赤色、緑色又は青色の成分ビームが１つ以上の所望の光学軸から外れた偏差量がマルチビーム偏差検出装置１２により決定され、マルチビーム偏差検出装置１２は、その偏差量に応じて制御信号をビーム偏差補正装置１４に供給する。ビーム偏差補正装置１４は、マルチビーム偏差検出装置１２が決定した１つ以上の所望の光学軸に対する望ましくない成分ビームの偏差をキャンセルするように、各成分ビームの光学軸を調整する。

マルチビーム偏差検出装置１２とビーム偏差補正装置１４間にはビーム偏差を容易になくすための閉ループのフィードバックパスがある。当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、マルチビーム偏差検出装置１２とビーム偏差補正装置１４により実現されるビーム位置合わせ制御システムを、閉ループ制御方式ではなく、オープンループ制御方式で実現してもよい。

マルチビームを１つ以上の所望の光学軸に対して適正に位置合わせした後、位置決めされたマルチビームは投写光学系３８に出射される。投写光学系３８は、マルチビームを表示スクリーン４４に投写する。投写光学系３８は、光変調器２８、３０、３２が合成されたマルチビームの色を調整するのと同時に、表示スクリーン４４を高速に走査し、その結果、表示スクリーン４４に所望の画像が表示される。このように、コントローラ４４に供給される画像情報に基づいて、光変調器２８、３０、３２によりマルチビームを変調するとともに、投写光学系３８を介して表示スクリーン４４に対し、変調されたマルチビームを選択的に位置決めすることにより、所望の画像が表示スクリーン４４に表示される。

レーザ１６、１８、２０、照明光学系２２、２４、２６、光変調器２８、３０、３２、ビーム合成器３４、ピックオフレンズ３６、コントローラ４０、投写光学系３８及び表示スクリーン４４の構成については既に当分野で知られている。例えば、投写光学系３８は、自由度が２のスキャナにより実現することができ、このスキャナは、第１の回転軸と第２の回転軸をそれぞれ有する第１のミラーと第２のミラー（図示せず）を備え、第１及び第２のミラーは、コントローラ４０から制御信号が供給されるモータ（図示せず）によって、その向きが制御される。スキャナの具体例は、発明の名称が光りビーム表示システムのスキャナ装置（SCANNING SYSTEM FOR LIGHT BEAM DISPLAYS）である米国特許第４２１３１４６号に開示されており、この特許は、参照により本願に援用される。

本発明の好ましい具体例では、シリコンライトマシンズ（Silicon Light Machines）社が製作したグレーティングライトバルブ（grating light valves）を使用する。これらの変調器は、約１インチ×２５ミクロンのビームを必要とする。これらの変調器は、www.siliconlight.comから入手可能なドキュメント及び例えば米国特許第５８４１５７９号のような特許に詳しく記載されており、これらの文献は、参照により本願に援用される。マルチビーム偏差検出装置１２及びビーム偏差補正装置１４について、以下に詳しく説明する。

図２は、本発明の教示に基づいて構成された順次式色変調プロジェクタ（sequential color modulator projector）５０の構成を示すブロック図である。プロジェクタ５０において、赤色レーザ１６、緑色レーザ１８及び青色レーザ２０は、対応する赤色、緑色及び青色の出力ビームを直接ビーム合成器３４に出射する。ビーム合成器３４の出射ビームは、赤色、緑色及び青色のビームからなるマルチビームであり、ピックオフレンズ３６に入射される。ピックオフレンズ３６からの出射ビームは、マルチビーム偏差検出装置１２及びビーム偏差補正装置１４に入射される。ビーム偏差補正装置１４の出射ビームは色分離器（color separator）５２に入射され、色分離器５２は、順次、赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを照明光学系５４に出射する。照明光学系５４は、整形した赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを順次式光変調器５６に出射する。順次式光変調器５６の出射ビームは、順次式投写光学系５８に入射される。コントローラ４０は、表示データ４２が供給され、対応する制御信号を順次式光変調器５６及び順次式投写光学系５８に供給する。

次に、動作を説明する。マルチビーム偏差検出装置１２及びビーム偏差補正装置１４は、ビーム合成器３４から出射されるマルチビームの所望の光学軸に対する各成分ビームのずれをそれぞれ検出して、補正する。補正されたマルチビームは、色分離器５２に入射され、色分離器５２は、カラーホイール又は回転機構により順次、赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを分離する。照明光学系５４は、順次、赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを整形し、整形したビームを順次式光変調器５６に出射する。順次式光変調器５６は、順次、赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを、コントローラ４０に供給される制御データに基づき、コントローラ４０から供給される制御信号によって表示されるように、変調する。そして、順次式投写光学系５８は、個々の赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを順次、表示スクリーン４４に投写して所望の画像を表示する。

当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、レーザ１６、１８、２０は、例えば発光ダイオードやコリメータのようにビームを発生する他のビーム発生機構で置換することができる。

図３は、図１及び図２のマルチビーム偏差検出装置１２で採用されたビーム偏差の原理を説明するための図である。図３は、マルチビーム発生器７４から異なる距離にある第１の光検出器７０と第２の光検出器７２の表面におけるビームのずれ方の違いを説明したものであり、マルチビーム発生器７４は、偏向した成分ビーム８０、８２をそれぞれ有する同一の第１のマルチビーム７６と第２のマルチビーム７８をそれぞれ投射する。成分ビーム８０、８２は、それぞれに対応する所望のビーム軸８４、８６から角度θだけ偏向している。

第１の光検出器７０がマルチビーム発生器７４からｘの距離にあるのに対して、第２の光検出器７３はマルチビーム発生器７４から２ｘの距離にあり、マルチビーム発生器７４と第１の光検出器７０間の距離は、マルチビーム発生器７４と第２の光検出器７２間の距離の半分である。したがって、第１の光検出器７０の表面における第１の偏向ビーム８０の中心は、対応する所望の光学軸８４からｙの距離だけ偏差する。第２の光検出器７２の表面における第２の偏向ビーム８２の偏差は２ｙであり、これは、第１の光検出器７０の表面における第１の偏向ビーム８０の偏差の倍である。偏向角度θは、第１の偏向ビーム８０と第２の偏向ビーム８２に対して等しい。したがって、第１の光検出器７０と第２の光検出器７２の表面における偏向ビーム８０、８２の偏差距離（ｙと２ｙ）の比は、マルチビーム発生器７４からの距離（ｘと２ｘ）に比例する。すなわち、ｙ／ｘ＝２ｙ／２ｘ＝tanθである。

第１の光検出器７０と第２の光検出器７２からの情報を重ね合わせたとしたら、重ね合わせた光検出器の表面には、所望の光学軸から離れた２つの点が形成される。１つの点は第１の偏向ビーム８０に関する偏向に対応し、他方の点は第２の偏向ビーム８２に関する偏向に対応している。第１の点は、第２の点と所望の光学軸の中間に位置する。第１の偏向ビーム８０は第２の偏向ビーム８２の半分まで進むということが予め知られていることから、ビームが所望の光学軸に垂直な平面において偏向する角度は、簡単に求められる。

例えば１つの角度のみの偏差のように１次元のビーム偏差のみがある場合、偏差角度（θ＝arctan（ｙ／ｘ））を計算するには、１つの光検出器のみが必要である。しかしながら、ビームは、所望の光学軸に垂直な平面において２次元でずれることができる。例えば、ビームは所望の光学軸と平行に変位（オフセット）することがある。したがって、更なる１つの自由度を与えてビームの偏差を正確に特定するためには、第２の光検出器が必要となる。なお、好ましい具体例では、２個の光検出器を用いているが、任意の数の光検出器を用いることができる。

図１及び図２に示すマルチビーム偏差検出装置１２は、マルチレーザビームから成分、すなわち赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを順次分離し、各成分ビームを異なる長さの２つの光路に分割（sprit）する。ビーム路長が異なると、ビーム偏向位置が異なり、これらを用いて、マルチビームに関する成分ビームの１つ以上の所望の光学軸からの偏差を、以下詳述するように、計算することができる。

図４は、図１のマルチビーム偏差検出装置１２の具体的な構成を示すブロック図である。説明を簡単にするために、様々な構成部品が図４には示されていないが、本発明の教示を利用する当業者にとっては、必要な構成部品をどこにどのように追加すべきかは明らかである。

ピックオフレンズ３６は、マルチビームのごく一部を分岐して、マルチビーム偏差検出装置１２のカラーホイール９０に入射する。残りビームはピックオフレンズ３６から出射されてビーム偏差補正装置１４に入射される。なお、ここでは、ビーム補正をビームのピックオフ後に行うものとして説明するが、ビーム補正を、ビームのピックオフ前により有益に行うことができる。更に、本発明の配慮した一具体例として、マルチビーム装置の製造時に工場においてビームのずれを検出して、補正する。後者の場合、大量生産の装置には、ずれ検出及び補正回路は含まれない。

カラーホイール９０には、コンピュータ９２から制御信号が入力され、コンピュータ９２は、カラーホイールコントローラ９４と、ビーム補正コントローラ９６とを備える。カラーホイールコントローラ９４及びビーム補正コントローラ９６はソフトウェアで実現することができる。カラーホイール９０は、コンピュータ９２上で実行されるカラーホイールコントローラ９４からの制御信号に応じて、入射されたマルチビームから赤色ビーム、緑色ビーム、青色ビームを交互に分離する。カラーホイール９０は、一度に１つのビームをビームスプリッタ９８に出射し、ビームスプリッタ９８は、１つのビームを第１のビーム路１００と第２のビーム路１０２に分割する。第１のビーム路１００には集光レンズ（focusing lens）１０４が設けられており、集光レンズ１０４は、ビームを第１の光検出器７０に集光する。第２のビーム路１０２には第２の集光レンズ１０８が設けられており、集光レンズ１０４は、第２のビーム路１０２に関するビームを第２の光検出器７２に集光する。マルチビーム偏差検出装置１２における各種光学部品の入射面、例えばカラーホイール９０、ビームスプリッタ９８、光検出器７０、７２の入射面は、入射ビームの所望の光学軸と直交している。

この具体例において、光検出器７０、７２は、例えば電荷結合素子（Charge Couled Device：以下、ＣＣＤという）アレーや他の焦点面アレー（focal plane array）のような光検出器アレーにより実現される。光検出器７０、７２は、光検出器７０、７２の表面における、光路１００、１０２に関するビームの位置を表す信号をそれぞれ出力する。各検出ビームの中心（centroid）は、各光検出器７０、７２の表面に対して計算され、コンピュータ９２上で実行されるビーム補正コントローラ９６に供給される。ビーム補正コントローラ９６は、光検出器７０、７２の表面におけるビームの中心位置に基づき、カラーホイール９０から出射される成分ビームの偏差を計算する。そして、ビーム補正コントローラ９６は、適当な制御信号を生成し、これらの制御信号は成分ビームの再調整のためにビーム偏差補正装置１４に供給される。

光検出器としてＣＣＤアレーを使用することにより、装置は非軸対称ビーム（non-rotationally symmetric beam）（例えば、ラインビーム又は矩形ビーム）が回転方向の位置合わせ（rotational alignment）から外れたか検出することができる。

ビーム補正コントローラ９６は、光検出器７０、７２と接続されている。特定の具体例において、ビーム補正コントローラ９６は、コンピュータ９２上で実行されるソフトウェアで実現される。ビーム補正コントローラ９６とビーム偏差補正装置１４は、ビーム偏差補正装置１４からビーム補正コントローラ９６へのフィードバックを有する閉ループ制御システムを実現している。ビーム偏差補正装置１４は、成分ビームに対してビーム位置補正を実施した後、ビーム偏差補正装置１４は、ビーム補正コントローラ９６を介して、ビーム偏差の更新を要求する。ビーム偏差補正装置１４は、偏差がゼロになるまで調整を続ける。成分ビームが位置合わせされた後、コンピュータ９２は、異なるビームを補正のために、カラーホイール９０に異なるビームを分離するように指示する。

ビーム偏差補正装置１４とビーム補正コントローラ９６は、本発明の範囲から逸脱することなく、オープンループ制御アルゴリズムを実現することができる。例えば、ビーム偏差補正装置１４からのフィードバックとビーム補正コントローラ９６は省略することができる。

ビーム偏差補正装置１４は、十分な自由度を有するミラーやその他の機構によりビームを任意の軸に位置合わせできるという原理に基づき動作する。本発明の範囲から逸脱することなく、普通のビーム位置決め装置を本発明と組み合わせて使用することができる。ビーム偏差補正装置１４は、入射マルチビームから補正が必要なビームを選択するカラーホイール９０又はその他のビーム選択装置を備えている。ビーム補正コントローラ９６からの制御信号により駆動されるモータに連結された水平軸と垂直軸を有する２つのミラーによって、成分ビームを制御信号に応じて望ましい所定の軸に位置合わせする。

ジーンエフ・フランクリン（Gene F.Franklin）、アバスエマミニーニ（Abbas Emami-Naeini）著、１９９１年、アディソンウェスリー（Addison Wesley）出版の表題「第２版ダイナミックシステムのフィードバック制御（FEEDBACK COCTROL OF DYNAMIC SYSTEMS）, second edition」には、一般制御理論が記載されており、当業者は、この一般理論を適用することにより、ビーム偏差補正装置１４で使用され、測定されたビーム偏差をキャンセルする位置制御可能なビーム位置合わせミラーを制御するコントローラ９４、９６の特定用途の詳細を容易に構成することができる。

特定の具体例において、第１の光路１００は長さは、第２の光路１０２の半分である。当業者には明らかなように、第１及び第２の光路１００、１０２の長さは、用途に特有であり、本発明の範囲から逸脱することなく、この具体例で使用した２対１の関係と異なってもよい。

上述のマルチビーム偏差検出装置１２は、カラーホイール９０から出射される赤色、青色及び緑色の成分ビームの向きと位置を順次補正するが、本発明では、ビーム位置合わせを並列で補正するように構成することも容易である。この場合、カラーホイールは、マルチビームから赤色、緑色及び青色のビームを順次ではなく並列して分離する他の素子に置き換えられる。

マルチビームから成分ビームを分離する装置は、本発明の教示を利用する当業者により開発可能である。更なる１つ以上のビームスプリッタ（図示せず）を備え、赤色、緑色、青色の光学フィルタを選択的に位置決めする簡単な装置を用いて、赤色、緑色、青色のビームを並列に分離、あるいはカラーホイール９０を用いて赤色、緑色、青色のビームを順次分離することができる。

代わりに、成分ビームの偏光（polarization）に基づき成分ビームを分離する装置で、カラーホイール９０を置き換えることもできる。例えば、逆極性の偏光フィルタを選択的に位置決めすることにより、マルチビームから逆極性の偏光ビームを分離抽出することができる。例えば、１つの偏光フィルタは第１の成分ビームを透過し、第２のビームを阻止し、もう１つの偏光フィルタは第２のビームを透過し、第１のビームを阻止する。第１及び第２の偏光フィルタを交互に使用することにより、複数のビームから第１及び第２のビームを分離することができる。

当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、マルチビームは、同軸ビームではなく、望ましい複数の平行な光学軸に位置合わせされる複数の平行なレーザビームであってもよい。平行なビームは、単一光学軸ではなく、１又は幾つかの望ましい所定の光学軸に位置合わせされる。更に、当業者には明らかなように、マルチビーム偏差検出装置１２は、本発明の範囲から逸脱することなく、カラーホイール９０に代えて、図２に示す色分離器５２又は図２に示す順次式光変調器５６で用いられている他のカラーホイール（図示せず）を使用することができる。

マルチビーム偏差検出装置１２は、メインビームから補正すべきビームを分離する分離機構であるカラーホイール９０と、対応する成分ビームを所望の軸に再調整する機構であるビーム偏差補正装置１４とを備える。ビーム補正コントローラ９６により実施される制御アルゴリズム及び／又はビーム偏差補正装置１４において実現されるもう１つのコントローラ（図示せず）は、検出されたビーム偏差をキャンセルする。

このように、マルチビーム偏差検出装置１２及びビーム偏差補正装置１４は、異なる色の複数のレーザビームを同一の光学軸に自動的に位置合わせする。

マルチビーム偏差検出装置１２は、カラーホイール９０又は同様の素子、第１の光検出器７０、第２の光検出器７２、及び５０％のビームスプリッタ９８を用いる。カラーホイール９０は、マルチビームから各色ビームを順次選択する。そして、光検出器７０、７２は、光検出器７０、７２の表面において各ビームの相対位置を検査する。異なる距離にある２個の光検出器７０、７２を使用することにより、任意のビームから、ビーム位置の横方向の変位や角度の変化を検出することができる。

ビームの位置及び向きを検出するマルチビーム偏差検出装置１２にカラーホイール９０を設けることにより、同一の光学軸に沿った複数の色の幾つかのビームを、位置、向き（pointing）及び角度を安定させるために、順番に監視することができる。カラーホイール９０は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の測定技術と組み合わせることができる。

図１に示すレーザ投写型装置１０の特定の設計に対応して、コリメーティングレンズ３６は、分離ビームを平行光線にするために必要又は不要となる。平行光線（collimated light）は、カラーホイール９０の一部を照射し、この具体例においては、カラーホイール９０により一度に１色のみのビームが透過される。カラーホイール９０は、コンピュータ９２上で実行されるカラーホイールコントローラ９４により又は図１のレーザ投写型装置１０に含まれる他の構成部品からの同期信号（図示せず）により制御される。

カラーホイール９０から出射される成分ビームは、非偏光の５０％のビームスプリッタ９８に入射され、ビームスプリッタ９８は、光の半分を透過し、残り半分を垂直方向に対して向きを変える。そして、得られたビームは、それぞれ集光レンズ１０４、１０８に入射され、集光レンズ１０４、１０８は、ビームを個々の光検出器７０、７２にそれぞれ集光する。ビームスプリッタ９８と２個の光検出器７０、７２間のそれぞれの距離は、成分ビームの角度変化を検出して成分ビームのずれを十分に補正することができるように、十分に異なる。

光検出器７０、７２のそれぞれは、２次元アレーからなり、光強度プロファイルから、点に対する２次元情報を示す対応した電圧又は電流信号を生成する。第１の光検出器７０に至る光は、第２の光検出器７２に至る光よりも短いビーム路１００を進む。したがって、所望のビーム軸に対する成分ビームの角度変化は、第２の光検出器７２においてより大きな変化として検出される。ビームが光学軸と平行にずれた場合、両光検出器７０、７２で検出される位置変化は略等しくなる。

コンピュータ９２は得られた情報を解析する。各光検出器７０、７２におけるビームプロファイルは、各検出平面における中心（centroid）位置を計算するのに用いられる。そして、これらの２つの点間の直線方程式を計算して、ビーム偏差を容易に決定することができる。この処理は、各色ビーム毎に独立して行われる。光検出器７０、７２上における各色に関する中心位置を比較することにより、表示スクリーン上でのビームのコンバーゼンス（convergence）を見積もることができる。直線方程式及び中心位置を１つ以上の基準と比較することにより、スクリーンにおける成分ビームの絶対位置を計算することができる。成分ビームの位置が変化すると、コンピュータ９２は、ビーム偏差補正装置１４に実装されたミラー系を遠隔制御して、ビームの位置及び／又は向きを補正する。

図５は、図４に示すマルチビーム偏差検出装置１２に対する第１の代替であるマルチビーム偏差補正装置１２’の具体的構成を示すブロック図である。入射ビームスプリッタ１２０は、メインの入射マルチビームのごく一部、例えばマルチビームのエネルギの１％に相当する部分を分割し、その部分を第１のコリメーティングレンズ１２２に入射する。マルチビームの残りの９９％は、ビーム偏差補正装置１４に入射される。第１のコリメーティングレンズ１２２から出射される平行光線のマルチビームはカラーホイール９０に入射され、カラーホイール９０は、コンピュータ１２４から供給される制御信号に応じて順次、赤色、緑色、青色の成分ビームを選択して５０％のビームスプリッタ９８に出射する。コンピュータ１２４は、シャッタコントローラ１２６が追加されたことを除いて、図４に示すコンピュータ９２と同様の構成を有する。シャッタコントローラ１２６は、第１の電気的に制御可能なシャッタ１３２及び第２の電気的に制御可能なシャッタ１３４を制御して、５０％のビームスプリッタ９８から出射される第１の分離ビーム１２８と第２の分離ビーム１３０を選択的に遮断する。

マルチビーム偏差検出装置１２’が第１のモードにあるとき、第１のシャッタ１３２は開いており、第２のシャッタ１３４は閉じている。第１のシャッタ１３２が開いていると、第１の分離ビーム１２８は、５０％のビームスプリッタ９８から第１の光路に沿って進み、第１の集光レンズ１０８を透過して第１の反射器１３６の表面に至る。第１の分離ビーム１２８は、第１の反射器１３６で反射し、戻りビームとして集光レンズ１０８を透過し、ビームスプリッタ９８を透過し、第３の集光レンズ１３８を透過して１個の光検出器１４０に入射する。光検出器１４０は、その表面に入射された第１の分離ビーム１２８の一部を受光する。そして、コンピュータ１２４は、ビーム補正コントローラ９６で実行されるソフトウェアにより、光検出器１４０の表面に入射したビームの中心位置を計算する。計算した中心位置はコンピュータ１２４が具備するメモリ（図示せず）に記憶される。

マルチビーム偏差検出装置１２’が第２のモードにあるとき、第２のシャッタ１３４は開いており、第１のシャッタ１３２は閉じている。第２の分離ビーム１３０は、第２のシャッタ１３４を透過し、第２の集光レンズ１０４を透過して第２の反射器１３６の表面に至り、ここから同じ光路を戻って、５０％のビームスプリッタ９８に入射する。５０％のビームスプリッタ９８は、第２の分離ビーム１３０の５０％を第３の集光レンズ１３８に分岐し、１個の光検出器１４０に入射する。光検出器１４０は、入射されたビームを受光し、それに応じた信号をコンピュータ１２４に供給する。そして、コンピュータ１２４は、標準の中心計算法（standard centroid calculation methods）により、光検出器１４０の表面に入射したビームの中心位置を計算する。

第１の分離ビーム１２８が進む光路の長さは、第２の分離ビーム１３０が進む光路の長さと所定の距離だけ異なる。第２の分離ビーム１３０に対応するビームの中心位置は、コンピュータ１２４のメモリ（図示せず）に先に記憶された、第１の分離ビーム１２８に関する中心位置と比較される。この比較はビーム補正コントローラ９６によって行われる。ビーム補正コントローラ９６は、カラーホイール９０から出射される成分ビームの、所望の光学軸からの偏差を計算する。偏差は、光検出器１４０の表面上における中心位置と、第１の分離ビーム１２８と第２の分離ビーム１３０の光路差との関数である。そして、算出されたビーム偏差は、ビーム偏差補正装置１４によって、ビーム補正コントローラ９６から供給される制御信号に応じてキャンセルされる。カラーホイールコントローラ９４は、カラーホイール９０を制御して、位置合わせのために、入射マルチビームのどの成分ビームを選択すべきかを決定する。

説明の便宜上、カラーホイールという用語は、複数の色のビームを含むマルチビームの個々の成分ビームを、成分ビームの色、及びカラーホイールコントローラ９４のようなコントローラから供給される制御信号に基づいて、選択的に出射することができる任意の機構を指すものとする。本発明を利用する当業者は、このような装置を容易に製造し、既存の装置を変更し、あるいはこれらの機能を実行する装置を特別に製作することができる。

当業者には明らかなように、第１の集光レンズ１０８と第２の集光レンズ１０４は本発明の範囲から逸脱することなく省略することができる。更に、５０％のビームスプリッタ９８は、本発明の範囲から逸脱することなく、異なるビームスプリッタ、例えば４０〜６０％のビームスプリッタに置き換えることができる。

カラーホイール９０は、以下に詳述する他の位置検出機構と共に使用できる。また、光検出器の数は変えてよい。１つの光検出器のみを使用する場合、光検出器に対する光路長を変える何らかの手段が必要である。図５に示す構成では、シャッタ１３２、１３４のペアは、第１の分離ビーム１２８と第２の分離ビームに対する長さが異なる２つの光路を交互に遮断するために、用いられている。

測定感度をより高めるためには、例えばマッハツェンダ（Mach-Zender）のような干渉計を、カラーホイール９０の後方で用いることができる。干渉計は、干渉縞を発生し、その縞は検出することができる。レーザビームの相対位相が変化すると、それに応じて縞模様がシフトし、これにより、ビーム位置及び／又は向きの計算と共に、所望の光学軸からのビーム偏差の決定を容易に行うことができる。

当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、カラーホイール９０又は同様の機構により１つ以上の成分ビームを分離した後、単一ビームのずれを補正する、様々な普通のビーム偏差検出及び位置決め装置（図示せず）を適切に変更して、ここで説明した装置の代わりとして使用することができる。

このように、代替的構成のマルチビーム偏差検出装置１２’は、遠隔制御される２つのシャッタ１３２、１３４と、特別な２つの反射面（ミラー）１３６、１４２と、唯一の光検出器１４０とを使用する。ピックオフされたマルチレーザビームを第１のコリメーティングレンズ１２２に通しているが、用途によってはこの第１のコリメーティングレンズ１２２は不要である。得られた平行光線はカラーホイール９０と第２の非偏光ビームスプリッタ９８を透過する。この構成において、第２のビームスプリッタ９８から出射される２つのビーム１２８、１３０は、それぞれ第１又は第２のシャッタ１３２、１４０に入射するが、任意の時点において、これらのシャッタの１つのみが開いている。

シャッタ１３２とシャッタ１３４は、開いたときに、光を対応する反射器１３６、１４２にそれぞれ出射し、ここで光は反射されて、開いているシャッタ１３２、１３４を透過して戻り、第２のビームスプリッタ９８を透過して、第３の集光レンズ１３８に入射され、第３の集光レンズ１３８によって単一の光検出器１４０に集光される。第２のビームスプリッタ９８と２つの反射面１３６、１４２間のそれぞれの距離は、ビームの角度変化を検出するできるように十分に異なる。

何れかのシャッタ１３２、１３４を交互に開くことにより、ビーム路に沿った２点を、並列ではなく、上述した図４に示す構成と同様に、順次測定することができる。

図６は、図４に示すマルチビーム偏差検出装置１２に対する第２の代替であるマルチビーム偏差検出装置１２”の具体的構成を示すブロック図である。マルチビーム偏差検出装置１２”は、第１のピックオフビームスプリッタ１５０と、この第１のピックオフビームスプリッタ１５０に対して直線上に配設された第２のピックオフビームスプリッタ１５２とを備える。第１のピックオフビームスプリッタ１５０でピックオフされたビームは、第１のコリメーティングレンズ１５４に入射され、その出射ビームは第１のカラーホイール１５６に入射される。第１のカラーホイール１５６は、コンピュータ９２上で実行されるカラーホイールコントローラ９４によって制御される。第１のカラーホイール１５６の出射ビームは、第１の光検出器７０の表面に入射され、第１の光検出器７０は電気的な出力信号をコンピュータ９２に供給する。

第１のピックオフビームスプリッタ１５０から出射される残りのマルチビームは、第２のピックオフビームスプリッタ１５２に入射される。第２のピックオフビームスプリッタ１５２は、第２のピックオフされたビームを第２のコリメーティングレンズ１５８に出射する。残りのビームはビーム偏差補正装置１４に入射される。第２のピックオフされたビームは、第２のコリメーティングレンズ１５８により平行光線にされて第２のカラーホイール１６０に入射され、第２のカラーホイール１６０は、コンピュータ９２上で実行されるカラーホイールコントローラ９４により制御される。第２のカラーホイール１６０の出射ビームは、第２の光検出器７２の表面に入射され、第２の光検出器７２は、電気的出力信号をコンピュータ９２に供給する。コンピュータ９２は、上述したようにビーム偏差補正装置１４と情報を送受する。上述したように、本発明の装置は、必要に応じて任意の数の光検出器と任意の数のビームを用いることができ、装置の使用中、あるいは使用前又は使用後、例えば製造時、修理時又は保守時に、ずれを検出及び／又は補正することができる。

次に動作について説明する。第１のカラーホイール１５６と第２のカラーホイール１６０は、解析のために入射マルチビームから同じ成分ビームを選択する。例えば、第１のカラーホイール１５６が青色ビームを選択して出射するときは、第２のカラーホイール１６０も青色ビームを選択して出射する。

第１のピックオフビームスプリッタ１５０から第１の光検出器７０の表面までのビーム路長は、第２のピックオフビームスプリッタ１５２から第２の光検出器７２の表面までのビーム路長より短い。したがって、カラーホイール１５６、１６０で選択されたビームは、光検出器７０、７２の表面上において異なる光量で検出される。この偏向、すなわち偏差の特性は、ビーム補正コントローラ９６によって解析され、ビーム補正コントローラ９６は、ビーム偏差補正装置１４に対する制御信号を生成し、ビーム偏差補正装置１４は、それに応じて検出ビームのずれを補正する。

このように、第２の代替的構成のマルチビーム偏差検出装置１２”は、２つのカラーホイール１５０、１５と、２つの光検出器７０、７２とを使用する。光検出器７０、７２に入射されるビームは、第１のピックオフビームスプリッタ１５０と第２のピックオフビームスプリッタ１５２に対応する２つの異なる位置でマルチビームから分離抽出される。これらの２つの位置は、十分に離れており、光検出器７０、７２及びコンピュータ９２は、位置と角度に関するビーム偏差を正確に測定することができる。

図７は、図４〜６のマルチビーム偏差検出装置１２、１２’、１２”により検出される偏差の結果を説明する、重ね合わせた光検出器面を示したものであり、この偏差結果は、例えば、ビーム偏差が水平のｘ−ｙ平面に対し４５度で、ｙ−ｚ平面に対し４５度であり、ｙ軸がマルチビームの所望の光学軸である場合に得られたものである。第１の点１７２は、例えば図４の光検出器７０のような第１の光検出器の表面（ｘ−ｚ平面）上における第１の成分ビームの位置に対応する。第２の点１７４は、例えば図４の光検出器７２のような第２の光検出器の表面（ｘ−ｚ平面）上における第２の成分ビームの位置に対応する。第２の点は第１の点に比して、所望の軸であるｙ軸から２倍（ｈ対２ｈ）ずれている。第１の点１７２と第２の点１７４間の線分１７６が成す角度を計算することにより、ｘ−ｚ平面においてｘ軸及び／又はｚ軸に対して成分ビームが成す偏差角を容易に求めることができる。成分ビームに関するオフセットについても、点１７２、１７４と原点（ｘ、ｙ、ｚの交点）間の距離を解析することにより容易に求められる。

図８は、本発明に係るビーム偏差検出及び補正方法１８０の動作を説明するためのフローチャートである。最初のピックオフステップ１８２において、位置合わせすべきマルチビームのごく一部をメインのマルチビームからピックオフする。そして、処理は成分ビーム分離ステップ１８４に進む。

成分ビーム分離ステップ１８４において、ピックオフされたマルチビームから１つ以上の成分ビームをビーム位置合わせの検査のために分離する。そして、処理は成分ビーム分割ステップ１８６に進む。

成分ビーム分割ステップ１８６において、分離された１つ以上の成分ビームは、１つ以上の光検出器に至るまでの長さが異なる２つの分岐路に分割される。そして、処理は偏差計算ステップ１８８に進む。

偏差計算ステップ１８８において、ハードウェア又はソフトウェアで実現される制御アルゴリズムにより、２つの分岐路に分岐された成分ビームの１つ以上の光検出器の表面上における位置に基づき、分離された１つ以上の成分ビームに関する偏差を計算する。そして、処理はビーム補正ステップ１９０に進む。

ビーム補正ステップ１９０において、分離された成分ビームに関する偏差、すなわちずれをキャンセルするように、１つ以上の成分ビームの位置を調整する。

以上、本発明を特定の応用における特定の具体例に従って説明した。本発明の教示を利用する当業者には、本発明の範囲に逸脱することなく、更なる変更、応用、具体例は明らかである。例えば、同軸レーザ光のマルチビームについて詳しく述べたが、本発明の特徴は、他の種類の光、あるいは同軸でないマルチビームにも応用可能である。可視光について説明したが、本発明はマルチビーム構成の任意のエネルギ、例えば赤外線や紫外線の波長にも適用することができる。

したがって、特許請求の範囲は、本発明の範囲を逸脱することなく、このような応用、変形及び具体例を含むものである。

本発明の教示に基づいて構成した、ユニークなマルチビーム偏差検出装置と偏差補正装置を備えるレーザ投写型装置の構成を示すブロック図である。 本発明の教示に基づいて構成した、順次式レーザ投写型装置の構成を示すブロック図である。 図１及び図２のマルチビーム偏差検出装置で使用するビーム偏差の原理を説明するための図である。 図１及び図２のマルチビーム偏差検出装置の詳細な構成を示すブロック図である。 図４に示すマルチビーム偏差検出装置の第１の代替的具体例の構成を示すブロック図である。 図４に示すマルチビーム偏差検出装置の第２の代替的具体例の構成を示すブロック図である。 図４〜６のマルチビーム偏差検出装置により検出される偏差の結果を説明する、重ね合わせた光検出器面を示す図である。 図４〜６に係るマルチビームの偏差検出及び補正装置で実施される方法のフローチャートである。

Claims (5)

1. 画像及び／又は動画を表示するために複数のレーザビームを投写するレーザプロジェクタであって、
   複数のレーザビームに関する成分ビームの軸からの偏差を検出するビーム偏差検出装置を有し、前記ビーム偏差検出装置は、
   上記複数のレーザビームから、赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを含む個々の成分ビームを自動的且つ選択的に分離し、該分離された個々の成分ビームの各々を出射する第１の手段であって、上記複数のレーザビームからサンプルを分岐し、該分岐された複数のレーザビームを出射する分岐手段を含む第１の手段と、
   上記第１の手段から入射される個々の成分ビームの上記軸に対するずれを検出する第２の手段とを備え、
   上記第１の手段は、上記複数のレーザビームから上記赤色ビーム、緑色ビーム及び／又は青色ビームを自動的に且つ選択的に分離し、該分離された成分ビームを出射し、
   上記第２の手段は、上記分離されたビームを第１の分離ビームと第２の分離ビームに分割し、上記第１の分離ビームと第２の分離ビームをそれぞれ第１の光路と第２の光路に分岐するビームスプリッタを備え、
   上記第１の光路は、第１の電気的に制御可能なシャッタを通り、第１の反射器で反射し、上記ビームスプリッタを通り、単一の光検出器の表面に至る、
   ことを特徴とするレーザプロジェクタ。
   
2. 上記第２の光路は、第２の電気的に制御可能なシャッタを通り、第２の反射器で反射し、上記ビームスプリッタを通り、上記単一の光検出器の表面に至ることを特徴とする請求項１記載のレーザプロジェクタ。
   
3. 上記第２の手段は、上記第１及び第２の電気的に制御可能なシャッタを介して上記単一の光検出器の表面上にそれぞれ第１及び第２のスポットを形成する上記第１及び第２の分離ビームを選択的に遮断するコンピュータを備えることを特徴とする請求項２記載のレーザプロジェクタ。
   
4. 上記第２の手段は、上記第１及び第２のスポットの位置を解析して、上記分離ビームに関するビーム偏差又はずれを測定するコンピュータを更に備えることを特徴とする請求項３記載のレーザプロジェクタ。
   
5. 画像及び／又は動画を表示するために複数のレーザビームを投写するレーザプロジェクタであって、
   複数のレーザビームに関する成分ビームのずれを検出するレーザビームずれ検出装置を有し、当該レーザビームずれ検出装置は、
   １つの入射面と第１及び第２の出射面を有するピックオフ素子と、
   上記ピックオフ素子の第１の出力面から上記複数のレーザビームが入射されるカラーホイールと、
   上記カラーホイールの出射面に向いた入射面を有するとともに、第１及び第２の出射開口を有するビームスプリッタと、
   上記ビームスプリッタの第１の出射開口に面し、該第１の出力開口から第１の距離に位置する第１の光検出器と、
   上記ビームスプリッタの第２の出射開口に面し、該第２の出力開口から第２の距離に位置する第２の光検出器と、
   上記ピックオフ素子の第２の出射面から上記複数のレーザビームが入射されるビーム偏差補正装置と、
   上記第１及び第２の光検出器と上記ビーム偏差補正装置と信号を送受し、ビーム補正制御アルゴリズムを実行するコンピュータとを備えるレーザプロジェクタ。

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