WO2011046035A1 - 画像投射装置、画像投射方法、距離測定装置及び距離測定方法 - Google Patents

画像投射装置、画像投射方法、距離測定装置及び距離測定方法 Download PDF

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浩 今井
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    • G03B21/005—Projectors using an electronic spatial light modulator but not peculiar thereto
    • G03B21/006—Projectors using an electronic spatial light modulator but not peculiar thereto using LCD's

Definitions

  • the present invention relates to an image projection apparatus that displays an image by scanning a projection surface with a light beam such as a Gaussian beam (for example, laser light).
  • a light beam such as a Gaussian beam (for example, laser light).
  • Patent Document 1 describes an image display device that displays an image by scanning an irradiated surface with a light beam modulated in accordance with an image signal.
  • the image display device includes a condensing optical system that condenses a light beam from a light source, and a scanning unit including a reflection mirror that reflects the light beam condensed by the condensing optical system toward a projection surface.
  • a condensing optical system that condenses a light beam from a light source
  • a scanning unit including a reflection mirror that reflects the light beam condensed by the condensing optical system toward a projection surface.
  • the condensing optical system forms a beam waist at a position farther from the reflection mirror than an intermediate position between the reflection mirror and the projection surface.
  • speckle When an image is displayed by scanning the projection surface with laser light, noise on speckles called speckle is generated due to the coherence of the laser light. Speckle is an obstacle when observing a display image, and deteriorates the image quality.
  • a beam waist is formed at a position between the reflection mirror of the scanning unit and the irradiated surface and farther from the reflection mirror than the intermediate position. Even in this configuration, the above speckles are generated, thereby degrading the image quality.
  • An object of the present invention is to provide an image projecting apparatus and an image projecting method capable of solving the above-described problems and reliably reducing speckles.
  • an image projection apparatus includes: A variable focus lens capable of changing the focal length; Scanning means for scanning the projection surface with the light beam condensed by the variable focus lens; Distance measuring means for measuring a distance from the variable focus lens to the projection surface; Control means for controlling the variable focus lens so that the focal length of the variable focus lens is longer than the distance measured by the distance measuring means.
  • An image projection method includes: An image projection method for displaying an image by scanning a projection surface with a light beam condensed by a variable focus lens capable of changing a focal length, A distance from the variable focus lens to the projection surface is measured, and a focal length longer than the measured distance is set in the variable focus lens.
  • FIG. 3 It is a schematic diagram which shows the structure of the principal part of the image projection apparatus which is the 1st Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows an example of the variable focus lens of the image projection apparatus shown in FIG. It is a schematic diagram which shows another example of the variable focus lens of the image projection apparatus shown in FIG. It is a schematic diagram which shows an example of the pattern of the Fresnel zone plate formed with the variable focus lens shown to FIG. 5A. 4 is a flowchart for explaining the operation of the image projection apparatus shown in FIG. 3. It is a schematic diagram which shows the structure of the principal part of the image projection apparatus which is the 2nd Embodiment of this invention.
  • the inventors of the present application analyzed speckle generation factors and obtained the following new knowledge.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing a state of a synthetic wavefront generated when a scattering object is irradiated with parallel light.
  • a secondary spherical wave is generated in the scattering object 101.
  • the direction of the wave number vector defined by the combined wave front of the secondary spherical wave and the wave front of the parallel light 100 is a diverging direction, and the dispersion of the wave number vector is also increased.
  • the speckle increases as the dispersion of the wave vector increases.
  • FIG. 1B is a schematic diagram showing a state of a synthetic wavefront generated when a scattering object is irradiated with divergent light.
  • a secondary spherical wave is generated in the scattering object 111.
  • the direction of the wave number vector defined by the combined wavefront of the secondary spherical wave and the wavefront of the diverging light 110 is a direction of further diverging (diffusing) than the case shown in FIG. 1A. Since the dispersion of the wave vector in this case becomes larger than that shown in FIG. 1A, the speckle is further increased.
  • FIG. 1C is a schematic diagram showing a state of a synthetic wavefront generated when a scattered object is irradiated with convergent light.
  • a secondary spherical wave is generated in the scattering object 121.
  • the wave vector defined by the combined wavefront of the secondary spherical wave and the wavefront of the convergent light 120 is substantially parallel. Since the dispersion of the wave vector in this case is smaller than that shown in FIGS. 1A and 1B, the speckle becomes smaller.
  • the beam projected on the projection surface becomes convergent light. It may not be possible.
  • FIG. 2A schematically shows the state of a wavefront when the projection surface is scanned with a focused beam.
  • the laser light from the laser light source 200 is condensed by the condenser lens 201.
  • the scanning unit 202 scans the projection surface 203 with the beam from the condenser lens 201.
  • the beam emitted from the condensing lens 201 propagates as a convergent spherical wave 205, and the state changes from the convergent spherical wave 205 to the divergent spherical wave 206 at the position where the beam waist 204 is formed.
  • the projection surface 203 When the projection surface 203 is positioned closer to the condenser lens 201 than the beam waist 204, the projection surface 203 is scanned with the beam of the convergent spherical wave 205. In this case, since the projection surface 203 is scanned with the convergent light, speckle can be reduced.
  • the projection surface 203 is positioned on the side farther from the condenser lens 201 than the beam waist 204, the projection surface 203 is scanned with the beam of the divergent spherical wave 206. In this case, since the projection surface 203 is scanned with diverging light, it is difficult to reduce speckle.
  • FIG. 2B shows a change in speckle contrast (%) when the projection surface is moved forward and backward with respect to the position of the beam waist.
  • the speckle contrast indicates the degree of speckle.
  • the speckle contrast is a value obtained by dividing the standard deviation value of the pixel value for the speckle image by the average value of each pixel.
  • the horizontal axis indicates the distance (mm) from the beam waist.
  • the position of the beam waist is 0, the condensing lens 201 side is indicated by minus, and the opposite side is indicated by plus.
  • speckle contrast changes when the focal length of the condensing lens 201 is 300 mm, 400 mm, and 500 mm are indicated by a broken line (short), a solid line, and a broken line (long), respectively.
  • speckle contrast is reduced when the projection surface is located closer to the condenser lens than the position of the beam waist. In this case, the closer the projection surface is to the condenser lens side, the more speckle contrast is reduced. Moreover, speckle contrast is reduced as the focal length is shorter.
  • the speckle contrast increases when the projection surface is located on the side farther from the condenser lens than the position of the beam waist.
  • speckle contrast increases as the projection surface is further away from the beam waist position.
  • speckle contrast increases as the focal length is shorter.
  • the projection surface in the vicinity of the beam waist. Specifically, it is desirable that the projected surface be disposed within a range defined by the Rayleigh length from the reference (range of a distance where the beam diameter becomes ⁇ 2 times) with respect to the beam waist.
  • the beam waist may be located on the near side of the projection surface depending on the arrangement position of the projection surface. In this case, the speckle reduction effect by the convergent light cannot be obtained.
  • an image projection apparatus that can reliably scan a projection surface (screen) with convergent light regardless of the position of the projection surface will be described.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of the image projection apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the image projection apparatus includes a laser light source 1, a variable focus lens 2, a scanning unit 3, a control unit 4, and a distance measuring unit 9.
  • the scanning unit 3 scans the projection surface 12 with the light beam condensed by the variable focus lens 2 that can change the focal length.
  • the distance measuring unit 9 measures the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12.
  • the control unit 4 controls the variable focus lens 2 so that the focal length of the variable focus lens 2 is longer than the distance measured by the distance measurement unit 9.
  • variable focus lens 2 the scanning means 3, the control means 4, and the distance measuring means 9 will be described in detail.
  • variable focus lens 2 and the scanning means 3 are arranged in this order in the traveling direction of the laser light from the laser light source 1.
  • the variable focus lens 2 is configured such that its focal length changes in accordance with a control signal from the control means 4.
  • the range of the focal length that can be varied is, for example, 50 mm to infinity.
  • FIG. 4 shows an example of the variable focus lens 2.
  • the variable focus lens 2 includes a zoom lens including a condenser lens 20 and a diverging lens 21.
  • the distance between the condenser lens 20 and the diverging lens 21 changes according to the control signal from the control means 4, and as a result, the focal length changes.
  • FIG. 5A shows another example of the variable focus lens 2.
  • the variable focus lens 2 includes a spatial light modulator 22 such as a matrix liquid crystal panel.
  • the spatial light modulator 22 forms an image corresponding to the Fresnel zone plate in response to a control signal from the control means 4.
  • the Fresnel zone plate is composed of a plurality of concentric annular zones in which transparent and opaque annular zones are alternately arranged.
  • the Fresnel zone plate includes a phase type Fresnel zone plate in which the phase difference between the transparent zone and the opaque zone is 0 and ⁇ , and the transmittance of each of the transparent zone and the opaque zone is 100. % And 0% transmission type Fresnel zone plate.
  • the focal length of the Fresnel zone plate is determined by the interval between the transparent and opaque annular zones and the width of the annular zone.
  • the Fresnel zone plate pattern changes according to the control signal from the control means 4, and thereby the focal length changes continuously or stepwise.
  • the Fresnel zone plate pattern having a small focal length shown in FIG. 5B is displayed, the first beam 23a having a large converging angle as shown in FIG. 5A is obtained.
  • the second beam 23b having a small converging angle as shown in FIG. 5A is obtained.
  • variable focus lens 2 In addition to the above, a varifocal lens, a varifocal mirror, a liquid crystal lens, or the like can be used as the variable focus lens 2.
  • the varifocal lens is a lens filled with a liquid, and the pressure of the filled liquid changes according to a control signal from the control means 4. This pressure change changes the shape of the lens and changes the focal length.
  • a varifocal mirror has a mirror shape that changes depending on electrostatic force, magnetic force, pressure, and the like.
  • the mirror shape is changed by an electrostatic force (or magnetic force or pressure) according to a control signal from the control means 4.
  • the focal length changes.
  • the liquid crystal lens is a lens-shaped space in which liquid crystal is sealed.
  • the magnitude of the voltage applied to the liquid crystal changes according to the control signal from the control means 4.
  • the refractive index in the lens-like space changes and the focal length changes.
  • the distance measuring means 9 has an imaging means 5, an image memory 6, a speckle contrast calculating means 7, and a look-up table means 8.
  • the imaging means 5 captures an image displayed on the projection surface 12, and includes an image sensor 5a and an imaging lens 5b.
  • the imaging lens 5b for example, a lens having a focal length of 18 mm, a pupil diameter of 2.25 mm, and an F number of 8 is used. According to this lens, the resolution limit for light having a wavelength of 532 nm is 5 ⁇ m.
  • the image sensor 5a is a two-dimensional area sensor represented by a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor or a CCD (Charge Coupled Device) sensor.
  • the image sensor 5a is composed of, for example, a 1000 ⁇ 1000 pixel CMOS sensor, and the pixel pitch is, for example, 2.2 ⁇ m.
  • a one-dimensional line sensor can also be used as the image sensor 5a.
  • a cylindrical lens may be used as the imaging lens 5b.
  • the output of the image sensor 5a is supplied to the image memory 6.
  • the image data output from the image sensor 5 a is stored in the image memory 6.
  • the image data stored in the image memory 6 is supplied to the speckle contrast calculation means 7.
  • the speckle contrast calculation means 7 calculates the speckle contrast based on the image data (speckle image data) from the image memory 6, and includes an image average calculation means 7a, an image standard deviation calculation means 7b, and a division means. 7c.
  • the image data from the image memory 6 is supplied to the image average calculation means 7a and the image standard deviation calculation means 7b.
  • the image average calculation means 7 a calculates the average value of the pixels of the image data from the image memory 6.
  • the output (average value) of the image average calculating means 7a is supplied to the dividing means 7c.
  • the image standard deviation calculating means 7b takes the standard deviation for each pixel value of the image data from the image memory 6, and supplies the standard deviation value to the dividing means 7c.
  • the dividing means 7c divides the standard deviation value supplied from the image standard deviation calculating means 7b by the average value supplied from the image average calculating means 7a, and uses the calculation result as a speckle contrast value as a lookup table means 8. To supply.
  • the look-up table means 8 holds characteristic data indicating changes in speckle contrast when the projection surface is moved back and forth with respect to the position of the beam waist for each focal length of the variable focus lens 2. .
  • the look-up table means 8 holds the characteristic data shown in FIG. 2B.
  • the look-up table means 8 refers to the stored characteristic data and calculates the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12 based on the speckle contrast value supplied from the dividing means 7c.
  • the distance calculation result by the lookup table means 8 is supplied from the distance measurement means 9 to the control means 4.
  • the control unit 4 controls the variable focus lens 2 so that the focal length of the variable focus lens 2 is longer than the distance supplied from the distance measurement unit 9.
  • the image projection apparatus is characterized in that the variable focus lens 2 is controlled so that the beam waist of the light beam from the variable focus lens 2 is located on the back side of the projection surface 12. Is basically the same as the control of an existing image projection apparatus. Therefore, the characteristic control (focal length setting method) will be described below, and description of other controls will be omitted.
  • FIG. 6 is a flowchart showing one procedure of the focal length setting method of the variable focus lens 2.
  • control unit 4 sets the focal length of the variable focus lens 2 to an initial value, and notifies the distance measurement unit 9 of the set value (step S10).
  • imaging means 5 captures an image displayed on the projection surface (step S11).
  • the captured image data is supplied to the speckle contrast calculation means 7 via the image memory 6.
  • the speckle contrast calculation means 7 calculates the speckle contrast based on the image data captured in step S11 (step S12).
  • the image average calculation unit 7a calculates the average value of the values of each pixel of the image data
  • the image standard deviation calculation unit 7b calculates the standard deviation of the value of each pixel of the image data. Is calculated.
  • the dividing unit 7c divides the standard deviation value calculated by the image standard deviation calculating unit 7b by the average value calculated by the image average calculating unit 7a, and outputs the calculation result as a speckle contrast value. To do.
  • the look-up table means 8 obtains characteristic data corresponding to the focal length value (initial value) supplied from the control means 4 in step S10 from the characteristic data held. Identify. Further, the look-up table means 8 refers to the specified characteristic data, and acquires the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12 from the speckle contrast value calculated in step S12 (step S13).
  • control means 4 controls the variable focus lens 2 so that the focal length of the variable focus lens 2 is longer than the distance calculated in step S13 (step S14).
  • the characteristic data shown in FIG. 2B is held in the look-up table means 8, the initial value of the focal length of the variable focus lens 2 is 300 mm, and the speckle contrast value calculated by the speckle contrast calculation means 7 is 20
  • the processes in steps S13 and S14 are performed in the following procedure.
  • the look-up table means 8 acquires characteristic data having a focal length of 300 mm from the characteristic data shown in FIG. 2B.
  • the look-up table means 8 refers to the acquired characteristic data (focal length 300 mm) and specifies the projection surface position with respect to the beam waist corresponding to the speckle contrast value 20%.
  • the control means 4 controls the variable focus lens 2 so that the focal length of the variable focus lens 2 is greater than 450 mm.
  • the control unit 4 sets the focal length of the variable focus lens 2 to 500 mm.
  • the process shown in FIG. 6 may be executed, for example, when the image projection apparatus is activated, or may be executed by pressing a specific button provided on the operation unit of the image projection apparatus. Further, the processing of steps S11 to S14 may be repeated. In this repetitive processing, in the distance calculation processing in step S13, the characteristic data corresponding to the focal length changed in the previous step S14 is referred to.
  • the processing shown in FIG. 6 is executed.
  • the beam waist of the light beam from the varifocal lens 2 is always located behind the projection surface 12, and the projection surface 12 can be scanned with convergent light. Therefore, the speckle reduction effect by the convergent light can be obtained regardless of the arrangement position of the projection surface.
  • a convergent light projection region with a small speckle with a speckle contrast of 13% can be always formed on the projection surface 12.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of the image projection apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the image projection apparatus is configured such that the imaging unit constituting the distance measuring unit 9 images the projection surface 12 via the polarization beam splitter (PBS) 10, and this point is the first. Different from the embodiment. Since other configurations are basically the same as those of the first embodiment, a detailed description thereof is omitted here.
  • PBS 10 is provided in the traveling direction of the light beam (P-polarized light) from the laser light source 1.
  • the light beam (P-polarized light) from the laser light source 1 passes through the PBS 10.
  • the variable focus lens 2 and the scanning unit 3 are arranged in this order in the traveling direction of the light beam (P-polarized light) that has passed through the PBS 10.
  • the reflected light from the portion onto which the light beam (P-polarized light) from the scanning unit 3 is projected includes P-polarized light and S-polarized light.
  • the reflected light (P-polarized light + S-polarized light) from the projection surface 12 passes through the scanning unit 3 and the variable focus lens 2 in order and reaches the PBS 10.
  • P-polarized light is transmitted through the PBS 10
  • S-polarized light is reflected by the PBS 10 in the direction of the imaging lens 5b.
  • the image on the projection surface 12 is imaged on the image sensor 5a via the scanning means 3, the variable focus lens 2, the PBS 10, and the imaging lens 5b.
  • Image data from the image sensor 5 a is supplied to the speckle contrast calculation means 7 via the image memory 6. Then, by the processing shown in FIG. 6, the focal length of the variable focus lens 2 is adjusted to be longer than the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12.
  • the imaging lens 5b for example, a lens having a focal length of 4 mm and an F number of 20 is used.
  • a diaphragm 5c is provided on the incident surface side of the imaging lens 5b.
  • the diameter of the diaphragm 5c is, for example, 0.2 mm. In this case, the resolution limit in light having a wavelength of 532 nm is 13 ⁇ m.
  • the image sensor 5b a 500 ⁇ 500 pixel CMOS sensor (pixel pitch: 5 ⁇ m) is used. Since the diameter of the diaphragm 5c is 0.2 mm, when the focal length of the variable focus lens 2 is 1000 mm, the F number viewed from the imaging side is 5000.
  • the imaging lens 5b can maintain a focused state within a range of 200 mm to 1800 mm. Thereby, the blur of the captured image which arises with the focus change of the variable focus lens 2 can be suppressed.
  • the image projection apparatus can be reduced in size by integrating the scanning system and the imaging system.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the main part of an image projection apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the image projection apparatus of this embodiment is provided with a photodiode 5d and speckle contrast calculation means 70 as light detection means instead of the image sensor 5a, image memory 6 and speckle contrast calculation means 7.
  • a photodiode 5d and speckle contrast calculation means 70 as light detection means instead of the image sensor 5a, image memory 6 and speckle contrast calculation means 7.
  • FIG. 9 shows the configuration of the speckle contrast calculation means 70.
  • the speckle contrast calculation means 70 includes integration circuits 71 and 74, square circuits 72 and 73, a subtractor 75 and a divider 76.
  • the output signal I (x) of the photodiode 5d is supplied to the integrating circuit 71 and the squaring circuit 73.
  • the integrating circuit 71 calculates an average ⁇ I (x) value of I (x) values supplied from the photodiode 5d.
  • the squaring circuit 73 squares the value of I (x) supplied from the photodiode 5d.
  • the output of the integrating circuit 71 is supplied to the squaring circuit 72, and the output of the squaring circuit 73 is supplied to the integrating circuit 74.
  • the squaring circuit 72 squares the average ⁇ I (x) value supplied from the integrating circuit 71.
  • the integrating circuit 74 calculates the average ⁇ I (x) 2 value of the value I (x) 2 supplied from the squaring circuit 73.
  • the output of the squaring circuit 72 ( ⁇ I (x)) 2 is supplied to the negative input and a divider 76 of the subtractor 75.
  • the output ⁇ I (x) 2 of the integrating circuit 74 is supplied to the plus side input of the subtractor 75.
  • the subtractor 75 outputs a value (variance) obtained by subtracting the value of ( ⁇ I (x)) 2 supplied from the square circuit 72 from the value of ⁇ I (x) 2 supplied from the integrating circuit 74.
  • the output (dispersion) of the subtractor 75 is supplied to the divider 76.
  • the divider 76 divides the value (variance) supplied from the subtractor 75 by the value ( ⁇ I (x)) 2 supplied from the squaring circuit 72. This calculation result corresponds to a value obtained by squaring the speckle contrast.
  • the output of the divider 76 is supplied to the look-up table means 8 of FIG.
  • the look-up table means 8 acquires the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12 based on the value obtained by taking the square root of the output value of the divider 76 (the value obtained by squaring the speckle contrast).
  • the control means 4 controls the variable focus lens 2 so that the focal length of the variable focus lens 2 is longer than the distance acquired by the look-up table means 8 (the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12). .
  • the speckle contrast is calculated based on the image data from the image sensor.
  • the image projection apparatus calculates a value obtained by squaring the speckle contrast based on the time series signal of the light intensity I (x) output from the photodiode 5d. This point is different from those of the first and second embodiments. Processing other than the calculation of speckle contrast is basically the same as the processing shown in FIG.
  • the light intensity I (x) detected by the photodiode 5d corresponds to the image displayed on the projection surface 12, and the time-series signal is I (v ⁇ t).
  • the first process by the integration circuit 71 and the square circuit 72 and the second process by the square circuit 73 and the integration circuit 74 are executed in parallel.
  • an average value (average value per predetermined time) of the time-series intensity signal I (x) output from the photodiode 5d is obtained, and a square value thereof is further obtained.
  • the square value of the time-series intensity signal I (x) output from the photodiode 5d is obtained, and the average value (average value per predetermined time) is obtained.
  • the standard of the intensity signal I (x) is determined from the difference between the result of the first process (average square of I (x)) and the result of the second process (average square of I (x)).
  • the square value (variance) of the deviation is obtained.
  • the square value of the speckle contrast is obtained by dividing the square value of the standard deviation of the intensity signal I (x) by the mean square of the intensity signal I (x).
  • the integration time of the integration circuits 71 and 74 (corresponding to the predetermined time described above). Is 33.3 ⁇ s.
  • the predetermined time is set to half the scanning time for one horizontal scanning line.
  • the cutoff frequency of the photodiode 5d is 40 MHz
  • the clock for image display is at least twice the value of 18.4 MHz.
  • the integration time (predetermined time) is not limited to the above values. As long as the speckle contrast can be calculated, an arbitrary time may be set as the integration time (predetermined time).
  • the speckle contrast calculation means may be realized by any circuit of an analog arithmetic circuit and a digital arithmetic circuit.
  • the output signal of the photodiode 5d is sampled by an AD converter, and a square value of speckle contrast is obtained based on the sampling data.
  • the beam waist of the light beam from the varifocal lens 2 is always located behind the projection surface 12 as in the first and second embodiments. Therefore, the projection surface 12 can be scanned with convergent light. Therefore, the speckle reduction effect by the convergent light can be obtained regardless of the arrangement position of the projection surface.
  • the processing of steps S11 to S14 shown in FIG. 6 can be repeatedly executed for each horizontal scanning line, so that the vertical scanning position (for each horizontal scanning line)
  • the focal length of the variable focus lens 2 can be controlled according to the position). Therefore, for example, as shown in FIG. 10, when the projection surface 12 is inclined with respect to the vertical direction, the beam waist of the light beam from the variable focus lens 2 is necessarily covered over the entire vertical scanning direction. Control can be performed so that the projection surface 12 is located behind the projection surface 12. Thereby, the speckle reduction effect by convergent light can be acquired over the whole vertical scanning direction of a display image.
  • the beam waist of the light beam from the variable focus lens 2 is always located behind the projection surface 12 over the entire vertical scanning direction. It can control to be located in. Therefore, the speckle reduction effect by the convergent light can be obtained over the entire vertical scanning direction of the display image.
  • the resolution decreases as the beam diameter on the projection surface 12 increases.
  • control means 4 holds Rayleigh length correspondence information indicating the correspondence between the focal length of the variable focal length lens 2 and the Rayleigh length, and the focal length in step S14 shown in FIG. At the time of change, the following processing may be performed.
  • the control unit 4 changes the focal length of the variable focus lens 2 so that the focal length of the variable focus lens 2 is longer than the distance acquired by the lookup table unit 8.
  • the control unit 4 refers to the Rayleigh length correspondence information, and the difference between the changed focal length and the distance acquired by the lookup table unit 8 is defined by the Rayleigh length at the changed focal length.
  • the focal length of the varifocal lens 2 is determined so as to be within the range.
  • the beam waist of the light beam from the variable focus lens 2 is always located on the back side of the projection surface 12, and the projection surface 12 is located within the range of the Rayleigh length of the light beam. . Therefore, a display image with high resolution can be provided.
  • the beam waist is located behind the projection surface 12 over the entire vertical scanning direction, and The projected surface 12 is positioned within the range of the Rayleigh length of the light beam. Therefore, it is possible to obtain a focused image with high resolution over the entire vertical scanning direction.
  • the image projection apparatus of each embodiment described above can be applied to a configuration that displays a color image.
  • FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of an image projection apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the image projection apparatus includes a variable focus lens 2, a scanning unit 3, a control unit 4, a distance measuring unit 9, a light source driving circuit 30, a green laser light source 31, a red laser light source 32, a blue laser light source 33, a reflection.
  • a mirror 34 and dichroic prisms 35 and 36 are provided.
  • the variable focus lens 2, the scanning unit 3, the control unit 4, and the distance measuring unit 9 are the same as those in any of the above-described embodiments.
  • the light source driving circuit 30 generates a green laser modulation signal, a red laser modulation signal, and a blue laser modulation signal in accordance with the input video signal.
  • the green laser modulation signal is supplied to the green laser light source 31.
  • the red laser modulation signal is supplied to the red laser light source 32.
  • the blue laser modulation signal is supplied to the blue laser light source 33.
  • FIG. 12 shows the configuration of a laser light source used as the red laser light source 32 or the blue laser light source 33.
  • the laser light source shown in FIG. 12 includes a current modulation circuit 71, a semiconductor laser 72, and a collimating optical system 73.
  • the current modulation circuit 71 controls the current flowing through the semiconductor laser 72 in accordance with the laser modulation signal (for red or blue) from the light source driving circuit 30. Thereby, the intensity of the output light of the semiconductor laser 72 is modulated.
  • the laser light from the semiconductor laser 72 is converted into a parallel beam by the collimating optical system 73.
  • the red laser light source 32 is a semiconductor laser 72 that uses a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 640 nm.
  • the blue laser light source 33 is a semiconductor laser 72 using a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 440 nm.
  • FIG. 13A shows the configuration of the green laser light source 31.
  • the laser light source shown in FIG. 13A includes a drive circuit 74, an infrared solid laser 75, a second harmonic element 76, an acoustooptic element 77, a collimating optical system 78, and condensing optical systems 79a and 79b.
  • the second harmonic element 76 outputs the second harmonic (532 nm) of the infrared laser (1064 nm) incident from the infrared solid laser 75 via the condensing optical system 79a.
  • the second harmonic beam from the second harmonic element 76 enters the acousto-optic element 77 via the condensing optical system 79b.
  • the drive circuit 74 drives the acoustooptic device 77 in accordance with the laser modulation signal (for green) from the light source drive circuit 10. As a result, the intensity of the second harmonic beam from the second harmonic element 76 is modulated.
  • the beam from the acoustooptic device 77 is converted into a parallel beam by a collimating optical system 78.
  • FIG. 13B shows another configuration of the green laser light source 31.
  • the laser light source illustrated in FIG. 13B includes a current modulation circuit 80, an infrared semiconductor laser 81, a condensing optical system 82, a second harmonic element 83, and a collimating optical system 84.
  • the current modulation circuit 80 modulates the current supplied to the infrared semiconductor laser 81 in accordance with the laser modulation signal (for green) from the light source driving circuit 10.
  • the infrared laser from the infrared semiconductor laser 81 is incident on the second harmonic element 83 via the condensing optical system 82.
  • the second harmonic element 83 outputs the second harmonic of the incident infrared laser.
  • the second harmonic beam from the second harmonic element 83 is converted into a parallel beam by the collimating optical system 84.
  • a reflection mirror 34 is provided in the traveling direction of the laser beam (green) from the green laser light source 31, and the dichroic prisms 35 and 36 are variable in the traveling direction of the laser beam (green) reflected by the reflecting mirror 34.
  • the focus lens 2 and the scanning means 3 are provided in this order.
  • the dichroic prism 35 is disposed at the intersection of the laser light (green) from the green laser light source 31 and the laser light (red) from the red laser light source 32.
  • the dichroic prism 35 transmits the laser light (green) from the green laser light source 31 and reflects the laser light (red) from the red laser light source 32. Thereby, the color of the laser beam (green) and the laser beam (red) is synthesized.
  • the dichroic prism 36 is disposed at the intersection of the color-combined beam (green + red) from the dichroic prism 35 and the laser light (blue) from the blue laser light source 33.
  • the dichroic prism 36 transmits the color-combined beam (green + red) from the dichroic prism 35 and reflects the laser light (blue) from the blue laser light source 33. Thereby, the color of the beam (green + red) and the laser beam (blue) is synthesized.
  • the color composite beam (green + red + blue) from the dichroic prism 36 is supplied to the scanning means 3 via the variable focus lens 2.
  • the scanning means 3 has a horizontal scanner and a vertical scanner.
  • the horizontal scanner is composed of, for example, a resonant micromechanical scanning element.
  • a resonant micromechanical scanning element is an element capable of reciprocal scanning.
  • the touch angle is ⁇ 20 degrees, and the drive frequency is 15 KHz.
  • a rectangular mirror having a diameter of 1400 ⁇ m is used as the resonant micromechanical scanning element.
  • the vertical scanner consists of a galvanometer mirror.
  • the galvanometer mirror has, for example, a touch angle of ⁇ 15 degrees and is driven by a 60 Hz sawtooth wave.
  • the image definition was 640 pixels for the horizontal and 480 pixels for the vertical.
  • the screen size was 290 cm in the horizontal direction and 220 cm in the vertical direction at a projection distance of 400 mm.
  • the laser light source synchronizes with the scanning means 3 and controls the light emission timing and intensity in a time unit (for example, 6 ns) of 1/8 or less of the pixel clock 18.4 MHz (54 ns).
  • the wavelength width of these light sources can be expanded. Thereby, the speckle contrast which arises with a red laser beam and a blue laser beam can further be reduced.
  • the above-described color image projection apparatus is an example, and the configuration thereof can be changed as appropriate.
  • a dichroic prism instead of the dichroic mirror, a dichroic prism, a fiber coupler, and other various combining optical systems may be used.
  • Each laser light source may be a fiber laser.
  • various optical modulators such as a grating type MEMS modulator, a waveguide type modulator, and an electro-optic crystal may be used.
  • acousto-optic elements As the means for horizontal scanning and vertical scanning, acousto-optic elements, electro-optic crystals, etc. may be used.
  • the beam deflection unit (mirror, etc.) of the means for horizontal scanning and vertical scanning only needs to be larger than the collimated beam diameter. If this condition is satisfied, the size and shape of the beam deflection unit can be appropriately changed.
  • distance measuring means for calculating the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12 based on speckle contrast is used, but instead of this, triangulation is performed.
  • the existing distance measuring means (ranging means) used may be used.
  • the distance measuring means includes a light emitting element, a light projecting lens for projecting light from the light emitting element toward the projection surface, a light receiving lens, and a one-dimensional array image sensor.
  • the light from the light emitting element is reflected by the projection surface, and the reflected light is supplied to the one-dimensional array image pickup element through the light receiving lens.
  • the image of the bright spot formed on the projection surface by the light from the light emitting element is formed on the one-dimensional array imaging element via the light receiving lens. Based on the triangulation principle, the distance from the variable focus lens to the projection surface is obtained from the position of the bright spot image on the one-dimensional array image sensor.
  • the image projection apparatus when the projection surface 12 is scanned with a light beam, the display image may be distorted due to the inclination or curved surface state of the projection surface 12.
  • the image projection apparatus according to the third embodiment may be configured as follows.
  • the distance measuring unit 9 supplies the distance calculated for each horizontal scanning line to the modulation signal generating unit (for example, the light source driving circuit shown in FIG. 11). Based on the distance information for each horizontal scanning line supplied from the distance measurement unit 9, the modulation signal generation unit determines the inclination of the projection surface 12 and the curved surface state in the vertical direction.
  • the modulation signal generation means performs processing for correcting the image distortion corresponding to the determined inclination and curved surface state of the projection surface 12 on the input video signal. Then, the modulation signal generating means generates a modulation signal for modulating the laser light source based on the video signal subjected to the image distortion correction.
  • the distance measuring means 9 may be configured as shown in FIG.
  • the image projected or displayed on the projection surface is projected or displayed on the projection surface based on not only image data such as video and photographs but also electronic data such as characters, figures, and tables. Including what is possible.
  • a process for creating characteristic data may be performed after activation.
  • the control unit 4 determines the focal length of the variable focus lens 2 step by step.
  • the speckle contrast calculation means 7 calculates the speckle contrast value for each focal length. Further, the speckle contrast calculating means 7 calculates the change in speckle contrast with respect to the change in the distance from the beam waist position of the light beam condensed by the variable focus lens 2 to the projection surface 12 based on the calculation result.
  • the characteristic data shown is created, and the created characteristic data is held in the lookup table means 8.
  • the characteristic data relating to the actual projection surface 12 is held in the look-up table means 8, so that the distance from the position of the beam waist of the light beam collected by the variable focus lens 2 to the projection surface 12. Can be calculated more accurately. As long as the object to be the projection surface 12 is not changed to another object, the characteristic data can be used repeatedly.
  • the characteristic data may be created for each type of the object to be the projection surface 12. In this case, in the distance measuring device, it is necessary to perform an input operation for selecting characteristic data after activation.
  • characteristic data relating to the screen may be held in the lookup table means 8 in advance.
  • the present invention can be applied not only to raster scanning but also to vector scanning.
  • the means (distance measuring device and distance measuring method) for calculating the distance from the variable focus lens 2 to the projection surface 12 based on the speckle contrast is a main component for realizing the projection image device of the present invention. It is one of the new configurations, and provides a new configuration by itself.
  • the laser light source is used as the illumination means for the detected object (surface), and the distance of the detected object (surface) is measured from the lookup table means.
  • One aspect of the distance measuring device includes a variable focus lens capable of changing a focal length, a scanning unit that scans a detection surface with a light beam condensed by the variable focus lens, and a scan performed by the light beam.
  • An imaging unit that images the detection surface
  • a speckle contrast calculation unit that calculates a speckle contrast indicating a degree of speckle generated on the detection surface based on image data from the imaging unit
  • the variable focus A characteristic indicating a change in the speckle contrast with respect to a change in the distance from the position of the beam waist of the light beam collected by the variable focus lens to the detected surface for each of a plurality of different focal lengths set in the lens.
  • Data is stored, and it is set at the time of imaging by the imaging means with reference to the stored characteristic data.
  • Lookup table means for acquiring a distance from the variable focus lens to the detection surface based on a focal length of the variable focus lens and a speckle contrast value calculated by the speckle contrast calculation means. .
  • the surface to be detected is scanned with the light beam collected by the variable focus lens capable of changing the focal length, and the surface to be detected scanned by the light beam is scanned.
  • the speckle contrast indicating the degree of speckle generated on the detected surface is calculated, and each of a plurality of different focal lengths set in the variable focus lens Referring to a table holding characteristic data indicating changes in the speckle contrast with respect to changes in the distance from the position of the beam waist of the light beam collected by the variable focus lens to the detection surface.
  • the variable focus lens is used. From said lens to calculate the distance to the surface to be detected.

Landscapes

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Abstract

　画像投射装置は、焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズ２と、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームで被投射面１２を走査する走査手段３と、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を測定する距離測定手段９と、可変焦点レンズ２の焦点距離が距離測定手段９にて測定された距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する制御手段４を有する。

Description

画像投射装置、画像投射方法、距離測定装置及び距離測定方法
　本発明は、ガウスビーム（例えばレーザ光）等の光ビームで被投射面上を走査して画像を表示する画像投射装置に関する。
　特許文献１には、画像信号に応じて変調された光ビームで被照射面上を走査することで画像を表示する画像表示装置が記載されている。この画像表示装置は、光源からの光ビームを集光する集光光学系と、この集光光学系で集光した光ビームを被投射面に向けて反射する反射ミラーを備えた走査部とを有する。
　集光光学系は、反射ミラーと被投射面との中間位置よりも反射ミラーから遠い位置においてビームウェストを形成する。これにより、走査部の反射ミラー上でのビーム径を小さくでき、かつ、被投射面上でのビーム径の拡大を抑制することができるので、反射ミラーの小型化および高精細な画像表示を行うことができる。
特開２００７－１２１５３８号公報
　レーザ光で被投射面上を走査して画像を表示する場合、レーザ光のコヒーレンスに起因するスペックルと呼ばれる斑点上のノイズが生じる。スペックルは、表示画像を観察する時に目障りであり、画質を低下させてしまう。
　特許文献１に記載の画像表示装置においては、走査部の反射ミラーと被照射面との間であって、その中間位置よりも反射ミラーから遠い位置において、ビームウェストを形成する。この構成においても、上記のスペックルが発生し、それにより画質が低下する。
　本発明の目的は、上記問題を解決し、スペックルを確実に低減することができる、画像投射装置および画像投射方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様による画像投射装置は、
　焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
　前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査する走査手段と、
　前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定する距離測定手段と、
　前記可変焦点レンズの焦点距離が前記距離測定手段にて測定された距離よりも長くなるように前記可変焦点レンズを制御する制御手段を有する。
　本発明の一態様による画像投射方法は、
　焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査して画像を表示する画像投射方法であって、
　前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定し、該測定された距離よりも長い焦点距離を前記可変焦点レンズに設定する。
平行光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。 発散光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。 収束光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。 集光ビームで被投射面を走査する場合の波面の状態を説明するための模式図である。 被投射面をビームウェストの前後に移動した場合のスペックルコントラストの変化を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。 図３に示す画像投射装置の可変焦点レンズの一例を示す模式図である。 図３に示す画像投射装置の可変焦点レンズの別の例を示す模式図である。 図５Ａに示す可変焦点レンズにて形成されるフレネルゾーンプレートのパターンの一例を示す模式図である。 図３に示す画像投射装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。 図８に示す画像投射装置のスペックルコントラスト算出手段の構成を示すブロック図である。 図８に示す画像投射装置における可変焦点レンズからの光ビームのビームウェストの位置を示す模式図である。 本発明の他の実施形態である画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。 図１１に示す画像投射装置に用いられる赤色レーザ光源や青色レーザ光源の構成を示すブロック図である。 図１１に示す画像投射装置に用いられる緑色レーザ光源の構成を示すブロック図である。 図１１に示す画像投射装置に用いられる緑色レーザ光源の別の構成を示すブロック図である。
２　可変焦点レンズ
３　走査手段
４　制御手段
５　撮像手段
５ａ　画像センサ
５ｂ　撮像レンズ
６　画像メモリ
７　スペックルコントラスト算出手段
７ａ　画像平均算出手段
７ｂ　画像標準偏差算出手段
７ｃ　除算手段
８　ルックアップテーブル手段
９　距離測定手段
　本願の発明者は、スペックルの発生要因を解析し、以下のような新たな知見を得た。
　図１Ａは、平行光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。平行光１００が散乱物体１０１に到達すると、散乱物体１０１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と平行光１００の波面との合成波面により規定される波数ベクトルの方向は、発散する方向となり、波数ベクトルの分散も大きくなる。波数ベクトルの分散が大きいほどスペックルが大きくなる。
　図１Ｂは、発散光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。発散光１１０が散乱物体１１１に到達すると、散乱物体１１１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と発散光１１０の波面との合成波面により規定される波数ベクトルの方向は、図１Ａに示した場合よりもさらに発散（拡散）する方向となる。この場合の波数ベクトルの分散は、図１Ａに示した場合よりも大きくなるため、スペックルはさらに大きくなる。
　図１Ｃは、収束光を散乱物体に照射した場合に生じる合成波面の状態を示す模式図である。収束光１２０が散乱物体１２１に到達すると、散乱物体１２１にて２次球面波が発生する。この２次球面波と収束光１２０の波面の合成波面により規定される波数ベクトルはほぼ平行となる。この場合の波数ベクトルの分散は、図１Ａおよび図１Ｂに示した場合よりも小さいため、スペックルは小さくなる。
　図１Ａ～図１Ｃから分かるように、スペックルを低減するためには、収束光で被投射面（散乱物体）を走査することが望ましい。
　しかし、レーザ光を集光し、その集光したビームで被投射面を走査する光走査システムにおいて、当該システムから被投射面までの距離によっては、被投射面に投射されるビームが収束光にならない場合がある。
　図２Ａに、集光ビームで被投射面を走査する場合の波面の状態を模式的に示す。
　図２Ａに示す系では、レーザ光源２００からのレーザ光を集光レンズ２０１で集光する。走査手段２０２は、集光レンズ２０１からのビームで被投射面２０３を走査する。集光レンズ２０１から出射されたビームは収束球面波２０５として伝搬し、ビームウェスト２０４が形成される位置を境にして、収束球面波２０５から発散球面波２０６に状態が変化する。
　被投射面２０３がビームウェスト２０４よりも集光レンズ２０１側に位置する場合は、収束球面波２０５のビームで被投射面２０３を走査することになる。この場合は、収束光で被投射面２０３を走査することになるので、スペックルを低減することができる。
　一方、被投射面２０３がビームウェスト２０４よりも集光レンズ２０１から遠い側に位置する場合は、発散球面波２０６のビームで被投射面２０３を走査することになる。この場合は、発散光で被投射面２０３を走査することになるので、スペックルを低減することは困難である。
　図２Ｂに、ビームウェストの位置を基準として、被投射面をその前後に移動した場合のスペックルコントラスト（％）の変化を示す。スペックルコントラストは、スペックルの度合いを示すものであって、具体的には、スペックル画像についての、画素の値の標準偏差値を各画素の平均値で割った値である。図２Ｂにおいて、横軸は、ビームウェストからの距離（ｍｍ）を示す。ビームウェストの位置が０とされ、集光レンズ２０１側がマイナスで示され、その反対側がプラスで示されている。また、集光レンズ２０１の焦点距離を３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍとした場合のスペックルコントラスト変化がそれぞれ破線（短）、実線、破線（長）で示されている。
　図２Ｂから分かるように、被投射面がビームウェストの位置よりも集光レンズ側に位置する場合は、スペックルコントラストが低減する。この場合、被投射面が集光レンズ側に近ければ近いほど、スペックルコントラストが低減する。また、焦点距離が短いほど、スペックルコントラストが低減する。
　一方、被投射面がビームウェストの位置よりも集光レンズから遠くなる側に位置する場合は、スペックルコントラストが増大する。この場合、被投射面がビームウェストの位置から離れれば離れるほど、スペックルコントラストが増大する。また、焦点距離が短いほど、スペックルコントラストが増大する。
　したがって、レーザ光（ガウシアンビーム）で被投射面を走査する光走査システムにおいて、スペックルコントラストを低減するためには、被投射面をビームウェストの位置よりも集光レンズ側に配置する必要がある。
　また、被投射面上におけるビーム径が増大すると、解像度が低下する。したがって、解像度の低下を抑制するためには、被投射面は、ビームウェストの近傍に配置することが望ましい。具体的には、被投射面は、ビームウェストを基準にして、該基準からレーリー長により規定される範囲（ビーム径が√２倍になる距離の範囲）内に配置されることが望ましい。
　しかし、被投射面はユーザによって任意の位置に配置されるため、被投射面の配置位置によっては、ビームウェストが被投射面よりも手前側に位置する場合がある。この場合は、収束光によるスペックル低減効果は得られない。
　上記の収束光によるスペックル低減効果を確実に得ることができるような技術は、これまで提案されていない。
　以下、本発明の実施形態として、被投射面の位置に関係なく、確実に収束光で被投射面（スクリーン）を走査することができる画像投射装置について説明する。
　（第１の実施形態）
　図３は、本発明の第１の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
　図３を参照すると、画像投射装置は、レーザ光源１、可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４および距離測定手段９を有する。走査手段３は、焦点距離を変化させることが可能な可変焦点レンズ２によって集光された光ビームで被投射面１２を走査する。距離測定手段９は、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を測定する。制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離が距離測定手段９にて測定された距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する。
　以下、可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４および距離測定手段９について具体的に説明する。
　レーザ光源１からのレーザ光の進行方向に可変焦点レンズ２、走査手段３が順に配置されている。可変焦点レンズ２は、制御手段４からの制御信号に応じてその焦点距離が変化するように構成されている。可変可能な焦点距離の範囲は、例えば５０ｍｍから無限大である。
　図４に、可変焦点レンズ２の一例を示す。図４を参照すると、可変焦点レンズ２は、集光レンズ２０と発散レンズ２１からなるズームレンズよりなる。この可変焦点レンズ２では、制御手段４からの制御信号に応じて集光レンズ２０と発散レンズ２１の間の距離が変化し、その結果、焦点距離が変化する。
　図５Ａに、可変焦点レンズ２の別の例を示す。図５Ａを参照すると、可変焦点レンズ２は、例えばマトリクス液晶パネル等の空間光変調器２２よりなる。空間光変調器２２は、制御手段４からの制御信号に応じてフレネルゾーンプレートに対応する画像を形成する。
　フレネルゾーンプレートは、透明な輪帯と不透明な輪帯が交互に配置された複数の同心円状の輪帯からなる。フレネルゾーンプレートとしては、透明な輪帯と不透明な輪帯のそれぞれの位相差が０、πである位相型のフレネルゾーンプレートや、透明な輪帯と不透明な輪帯のそれぞれの透過率が１００％、０％である透過型のフレネルゾーンプレートなどがある。
　図５Ｂに示すように、フレネルゾーンプレートの焦点距離は、透明な輪帯と不透明な輪帯の間隔および輪帯の幅により決まる。空間光変調器２２では、制御手段４からの制御信号に応じてフレネルゾーンプレートパターンが変化し、それにより焦点距離が連続的または段階的に変化する。図５Ｂに示した焦点距離が小さなフレネルゾーンプレートパターンが表示されると、図５Ａに示したような集光角の大きな第１のビーム２３ａを得る。図５Ｂに示した焦点距離が大きなフレネルゾーンプレートパターンが表示されると、図５Ａに示したような集光角の小さな第２のビーム２３ｂを得る。
　上記の他、可変焦点レンズ２として、バリフォーカルレンズ、バリフォーカルミラー、液晶レンズ等を用いることができる。
　バリフォーカルレンズは、液体がレンズ形状の空間に充填されたものであり、制御手段４からの制御信号に応じて充填された液体の圧力が変化する。この圧力変化によって、レンズの形状が変化して焦点距離が変化する。
　バリフォーカルミラーは、静電力、磁力、圧力等によってミラー形状が変化するものである。制御手段４からの制御信号に応じた静電力（または磁力、圧力）でミラー形状を変化させる。これにより、焦点距離が変化する。
　液晶レンズは、レンズ状の空間に液晶を封入したものである。制御手段４からの制御信号に応じて液晶に印加される電圧の大きさが変化する。これにより、レンズ状の空間内の屈折率が変化して焦点距離が変化する。
　再び図３を参照すると、距離測定手段９は、撮像手段５、画像メモリ６、スペックルコントラスト算出手段７およびルックアップテーブル手段８を有する。
　撮像手段５は、被投射面１２上に表示された画像を撮像するものであって、画像センサ５ａおよび撮像レンズ５ｂを有する。撮像レンズ５ｂとして、例えば焦点距離が１８ｍｍ、瞳径が２．２５ｍｍ、Ｆナンバーが８であるレンズが用いられる。このレンズによれば、波長が５３２ｎｍの光に対する解像限界は５μｍである。
　画像センサ５ａは、ＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）センサやＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）センサに代表される２次元のエリアセンサよりなる。ここでは、画像センサ５ａは、例えば１０００画素×１０００画素のＣＭＯＳセンサよりなり、その画素ピッチは、例えば２．２μｍである。画素ピッチを撮像レンズ５ｂの解像限界の二分の一以下とすることで、回折による画像への影響を抑制することができる。
　画像センサ５ａとして、１次元のラインセンサを用いることもできる。１次元のラインセンサを用いる場合は、撮像レンズ５ｂとしてシリンドリカルレンズを用いてもよい。
　画像センサ５ａの出力は、画像メモリ６に供給されている。画像センサ５ａから出力された画像データは、画像メモリ６に格納される。画像メモリ６に格納された画像データは、スペックルコントラスト算出手段７に供給される。
　スペックルコントラスト算出手段７は、画像メモリ６からの画像データ（スペックル画像データ）に基づいてスペックルコントラストを算出するものであって、画像平均算出手段７ａ、画像標準偏差算出手段７ｂおよび除算手段７ｃを有する。画像メモリ６からの画像データは、画像平均算出手段７ａおよび画像標準偏差算出手段７ｂに供給される。
　画像平均算出手段７ａは、画像メモリ６からの画像データの各画素の値の平均値を算出する。画像平均算出手段７ａの出力（平均値）は除算手段７ｃに供給される。
　画像標準偏差算出手段７ｂは、画像メモリ６からの画像データの各画素の値についての標準偏差をとり、その標準偏差値を除算手段７ｃに供給する。
　除算手段７ｃは、画像標準偏差算出手段７ｂから供給された標準偏差の値を、画像平均算出手段７ａから供給された平均値で割り、その演算結果をスペックルコントラストの値としてルックアップテーブル手段８に供給する。
　ルックアップテーブル手段８は、ビームウェストの位置を基準として、被投射面をその前後に移動した場合のスペックルコントラストの変化を示す特性データを、可変焦点レンズ２の焦点距離毎に保持している。例えば、ルックアップテーブル手段８は、図２Ｂに示した特性データを保持している。ルックアップテーブル手段８は、保持している特性データを参照して、除算手段７ｃから供給されたスペックルコントラストの値に基づいて、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を算出する。
　ルックアップテーブル手段８による距離の算出結果は、距離測定手段９から制御手段４に供給される。制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離が距離測定手段９から供給された距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する。
　次に、本実施形態の画像投射装置の動作について説明する。
　本実施形態の画像投射装置は、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストが被投射面１２よりも奥側に位置するように可変焦点レンズ２を制御することを特徴としており、他の制御は、基本的に既存の画像投射装置の制御と同じである。よって、以下では、その特徴的な制御（焦点距離設定方法）について説明し、他の制御の説明は省略する。
　図６は、可変焦点レンズ２の焦点距離設定方法の一手順を示すフローチャートである。
　図６を参照すると、まず、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離を初期値に設定し、その設定値を距離測定手段９に通知する（ステップＳ１０）。次に、撮像手段５が、被投射面に表示された画像を撮像する（ステップＳ１１）。撮像した画像データは、画像メモリ６を介してスペックルコントラスト算出手段７に供給される。
　次に、スペックルコントラスト算出手段７が、ステップＳ１１で撮像した画像データに基づいてスペックルコントラストを算出する（ステップＳ１２）。このスペックルコントラストの算出処理では、画像平均算出手段７ａが、画像データの各画素の値の平均値を算出するとともに、画像標準偏差算出手段７ｂが、画像データの各画素の値についての標準偏差を算出する。そして、除算手段７ｃが、画像標準偏差算出手段７ｂにて算出された標準偏差の値を、画像平均算出手段７ａにて算出された平均値で割り、その演算結果をスペックルコントラストの値として出力する。
　スペックルコントラストが算出されると、ルックアップテーブル手段８が、保持している特性データのうちから、ステップＳ１０で制御手段４から供給された焦点距離の値（初期値）に対応する特性データを特定する。さらに、ルックアップテーブル手段８が、特定した特性データを参照し、ステップＳ１２で算出されたスペックルコントラストの値から可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を取得する（ステップＳ１３）。
　最後に、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離がステップＳ１３で算出した距離よりも長くなるように可変焦点レンズ２を制御する（ステップＳ１４）。
　例えば、図２Ｂに示した特性データがルックアップテーブル手段８に保持され、可変焦点レンズ２の焦点距離の初期値が３００ｍｍであり、スペックルコントラスト算出手段７で算出したスペックルコントラストの値が２０％である場合は、上記のステップＳ１３、Ｓ１４の処理は、以下のような手順で行われる。
　まず、ルックアップテーブル手段８は、図２Ｂに示した特性データから焦点距離が３００ｍｍの特性データを取得する。次に、ルックアップテーブル手段８は、その取得した特性データ（焦点距離３００ｍｍ）を参照して、スペックルコントラストの値２０％に対応する、ビームウェストに対する被投射面位置を特定する。この場合は、被投射面１２がビームウェストの位置から発散側の方向に１５０ｍｍだけ離れた位置にあることを特定することができる。この結果から、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離は４５０ｍｍ（＝３００ｍｍ＋１５０ｍｍ）であることが分かる。
　可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離は４５０ｍｍであるので、制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離が４５０ｍｍよりも大きくなるように可変焦点レンズ２を制御する。例えば、制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離を５００ｍｍに設定する。
　図６に示した処理は、例えば、画像投射装置の起動時に実行されてもよく、また、画像投射装置の操作部に設けられた特定のボタンを押すことによって実行されてもよい。また、ステップＳ１１～Ｓ１４の処理を繰り返してもよい。この繰り返しの処理において、ステップＳ１３の距離算出の処理では、前回のステップＳ１４で変更された焦点距離に対応する特性データを参照する。
　本実施形態の画像投射装置によれば、ユーザが被投射面１２を任意の位置にくるように画像投射装置を設定した後に、図６に示した処理を実行する。これにより、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストは、必ず被投射面１２よりも奥側に位置することとなり、収束光で被投射面１２を走査することができる。したがって、被投射面の配置位置に関係なく、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
　例えば、走査手段３から被投射面１２までの距離が１００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内において、スペックルコントラストが１３％といったスペックルの小さな収束光投射領域を被投射面１２に常時形成することができる。
　（第２の実施形態）
　図７は、本発明の第２の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
　本実施形態の画像投射装置は、距離測定手段９を構成する撮像手段が、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０を介して被投射面１２を撮像するように構成されており、この点が第１の実施形態のものと異なる。その他の構成は、基本的に、第１の実施形態のものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
　レーザ光源１からの光ビーム（Ｐ偏光）の進行方向にＰＢＳ１０が設けられている。レーザ光源１からの光ビーム（Ｐ偏光）は、ＰＢＳ１０を透過する。ＰＢＳ１０を透過した光ビーム（Ｐ偏光）の進行方向に、可変焦点レンズ２、走査手段３が順に配置されている。
　被投射面１２が拡散面である場合、走査手段３からの光ビーム（Ｐ偏光）が投射された部分からの反射光は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含む。被投射面１２からの反射光（Ｐ偏光＋Ｓ偏光）は、走査手段３、可変焦点レンズ２を順に通過してＰＢＳ１０に到達する。
　被投射面１２からの反射光のうちＰ偏光はＰＢＳ１０を透過し、Ｓ偏光は、ＰＢＳ１０にて撮像レンズ５ｂの方向に反射される。
　本実施形態では、被投射面１２上の画像は、走査手段３、可変焦点レンズ２、ＰＢＳ１０および撮像レンズ５ｂを介して画像センサ５ａ上に結像される。画像センサ５ａからの画像データは、画像メモリ６を介してスペックルコントラスト算出手段７に供給される。そして、図６に示した処理により、可変焦点レンズ２の焦点距離が可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離より長くなるように調整される。
　撮像レンズ５ｂとして、例えば、焦点距離が４ｍｍ、Ｆナンバーが２０のレンズを用いる。撮像レンズ５ｂの入射面側には、絞り５ｃが設けられている。絞り５ｃの直径は、例えば０．２ｍｍである。この場合、波長が５３２ｎｍの光における解像限界は１３μｍである。画像センサ５ｂとして、５００画素×５００画素のＣＭＯＳセンサ（画素ピッチ５μｍ）を用いる。絞り５ｃの直径が０．２ｍｍであるので、可変焦点レンズ２の焦点距離が１０００ｍｍである場合、撮像側から見たＦナンバーは５０００である。この場合の焦点深度は±８００ｍｍであるので、撮像レンズ５ｂは、２００ｍｍから１８００ｍｍの範囲内でピントがあった状態を保つことができる。これにより、可変焦点レンズ２の焦点変化に伴って生じる撮像画像のボケを抑制することができる。
　また、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果を奏することに加えて、走査系と撮像系を一体化させることにより、画像投射装置の小型化を行うことができる。
　（第３の実施形態）
　図８は、本発明の第３の実施形態である画像投射装置の主要部の構成を示す模式図である。
　本実施形態の画像投射装置においては、画像センサ５ａ、画像メモリ６およびスペックルコントラスト算出手段７に代えて、光検出手段であるフォトダイオード５ｄおよびスペックルコントラスト算出手段７０を設けている点が第２の実施形態のものと異なる。その他の構成は、基本的に、第２の実施形態のものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
　図９に、スペックルコントラスト算出手段７０の構成を示す。図９を参照すると、スペックルコントラスト算出手段７０は、積分回路７１、７４、２乗回路７２、７３、減算器７５および除算器７６を有する。
　フォトダイオード５ｄの出力信号I（ｘ）は、積分回路７１および２乗回路７３に供給されている。積分回路７１は、フォトダイオード５ｄから供給されるI（ｘ）の値の平均ΣI（ｘ）の値を演算する。２乗回路７３は、フォトダイオード５ｄから供給されるI（ｘ）の値を２乗する。積分回路７１の出力は２乗回路７２に供給され、２乗回路７３の出力は積分回路７４に供給されている。
　２乗回路７２は、積分回路７１から供給される平均ΣI（ｘ）の値を２乗する。積分回路７４は、２乗回路７３から供給される値I（ｘ）2の平均ΣI（ｘ）2の値を演算する。２乗回路７２の出力（ΣI（ｘ））2は、減算器７５のマイナス側入力および除算器７６に供給されている。積分回路７４の出力ΣI（ｘ）2は減算器７５のプラス側入力に供給されている。
　減算器７５は、積分回路７４から供給されたΣI（ｘ）2の値から２乗回路７２から供給された（ΣI（ｘ））2の値を引いた値（分散）を出力する。減算器７５の出力（分散）は、除算器７６に供給されている。
　除算器７６は、減算器７５から供給された値（分散）を２乗回路７２から供給された値（ΣI（ｘ））2で割る。この演算結果は、スペックルコントラストを２乗した値に対応する。除算器７６の出力は、図８のルックアップテーブル手段８に供給されている。
　ルックアップテーブル手段８では、除算器７６の出力値（スペックルコントラストを２乗した値）の平方根をとった値に基づいて、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を取得する。制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離がルックアップテーブル手段８にて取得した距離（可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離）より長くなるように、可変焦点レンズ２を制御する。
　次に、本実施形態の画像投射装置の動作について説明する。
　前述の第１および第２の実施形態のものでは、画像センサからの画像データに基づいてスペックルコントラストを算出している。これに対して、本実施形態の画像投射装置では、フォトダイオード５ｄから出力される光強度Ｉ（ｘ）の時系列信号に基づいてスペックルコントラストを２乗した値を算出するようになっており、この点が、第１および第２の実施形態のものと異なる。スペックルコントラストの算出以外の処理は、基本的に、図６に示した処理と同じである。
　以下、スペックルコントラストの算出処理について、具体的に説明する。
　時刻ｔにおける被投射面１２のビーム位置を、ｘ（ｔ）＝ｖ×ｔ（ｖは走査速度）と定義する。時刻ｔにおいて、フォトダイオード５ｄで検出される光強度Ｉ（ｘ）は被投射面１２上に表示される画像に対応し、その時系列信号はＩ（ｖ×ｔ）となる。
　スペックルコントラストの算出処理では、積分回路７１および２乗回路７２による第１の処理と２乗回路７３および積分回路７４による第２の処理が並行して実行される。
　第１の処理では、フォトダイオード５ｄから出力された時系列の強度信号Ｉ（ｘ）の平均値（所定時間あたりの平均値）を求め、さらにその２乗の値を求める。一方、第２の処理では、フォトダイオード５ｄから出力された時系列の強度信号Ｉ（ｘ）の２乗の値を求め、さらにその平均値（所定時間あたりの平均値）を求める。
　次に、第１の処理の結果（Ｉ（ｘ）の平均の２乗）と第２の処理の結果（Ｉ（ｘ）の２乗の平均）との差分から強度信号Ｉ（ｘ）の標準偏差の２乗の値（分散）を求める。そして、強度信号Ｉ（ｘ）の標準偏差の２乗の値を強度信号Ｉ（ｘ）の平均の２乗で割ることで、スペックルコントラストの２乗の値を求める。
　上述のスペックルコントラストの算出処理において、例えば、水平走査時間（水平走査周波数１５ｋＨｚの逆数）が６６．６μｓである場合、積分回路７１、７４の積分時間（上述の説明おける所定時間に対応する）を３３．３μｓとする。具体的には、所定時間を水平走査線１本分の走査時間の半分の時間とする。これにより、水平走査線１本分のスペックルコントラストを算出することができる。この場合のフォトダイオード５ｄの遮断周波数は４０ＭＨｚであり、画像表示のためのクロックは１８．４ＭＨｚの２倍の値以上である。
　なお、積分時間（所定時間）は、上記のような値に限定されるものではない。スペックルコントラストを算出することができるのであれば、積分時間（所定時間）として任意の時間を設定してもよい。
　本実施形態の画像投射装置において、スペックルコントラスト算出手段は、アナログ演算回路およびデジタル演算回路のいずれの回路で実現してもよい。デジタル演算回路では、フォトダイオード５ｄの出力信号をＡＤコンバータでサンプリングし、そのサンプリングデータに基づいて、スペックルコントラストの２乗の値を求める。
　本実施形態の画像投射装置においても、第１および第２の実施形態のものと同様、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストは、必ず被投射面１２よりも奥側に位置することとなるので、収束光で被投射面１２を走査することができる。したがって、被投射面の配置位置に関係なく、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
　また、本実施形態の画像投射装置によれば、例えば、水平走査線毎に、図６に示したステップＳ１１～Ｓ１４の処理を繰り返し実行することができるので、垂直走査位置（水平走査線毎の位置）に応じて可変焦点レンズ２の焦点距離を制御することができる。したがって、例えば、図１０に示すように、垂直方向に対する被投射面１２の傾きが生じている場合において、垂直走査方向の全体に渡って、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストを必ず被投射面１２よりも奥側に位置するように制御することができる。これにより、表示画像の垂直走査方向全体に渡って、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
　さらに、被投射面１２の一部または全体が曲面となっている場合も、垂直走査方向の全体に渡って、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストを必ず被投射面１２よりも奥側に位置するように制御することができる。よって、表示画像の垂直走査方向全体に渡って、収束光によるスペックル低減効果を得ることができる。
　以上説明した各実施形態において、被投射面１２上におけるビーム径が増大すると、解像度が低下する。解像度の低下を抑制するためには、被投射面１２は、ビームウェストの近傍に配置することが望ましい。具体的には、被投射面１２は、ビームウェストを基準にして、該基準からレーリー長により規定される範囲（ビーム径が√２倍になる距離の範囲）内に配置されることが望ましい。
　上記の解像度の低下を抑制するために、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離とレーリー長との対応関係を示すレーリー長対応情報を保持し、図６に示したステップＳ１４の焦点距離変更時に、以下のようのような処理を行ってもよい。
　制御手段４は、可変焦点レンズ２の焦点距離がルックアップテーブル手段８で取得した距離よりも長くなるように、可変焦点レンズ２の焦点距離を変更する。この焦点距離の変更において、制御手段４は、レーリー長対応情報を参照し、変更後の焦点距離とルックアップテーブル手段８で取得した距離との差分がその変更後の焦点距離におけるレーリー長により規定される範囲内になるように、可変焦点レンズ２の焦点距離を決定する。
　これにより、可変焦点レンズ２からの光ビームのビームウェストは必ず被投射面１２よりも奥側に位置し、かつ、被投射面１２はその光ビームのレーリー長の範囲内に位置することになる。したがって、解像度の高い表示画像を提供することができる。
　特に、第３の実施形態の画像投射装置において、上記のレーリー長に基づく制御を適用すれば、垂直走査方向全体に渡って、ビームウェストが被投射面１２よりも奥側に位置し、かつ、被投射面１２がその光ビームのレーリー長の範囲内に位置することになる。したがって、垂直走査方向全体に渡って、解像度が高く、ピントの合った画像を得ることができる。
　以上説明した各実施形態の画像投射装置は、カラー画像を表示するような構成にも適用することができる。
　図１１は、本発明の他の実施形態である画像投射装置の全体の構成を示すブロック図である。図１１を参照すると、画像投射装置は、可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４、距離測定手段９、光源駆動回路３０、緑色レーザ光源３１、赤色レーザ光源３２、青色レーザ光源３３、反射ミラー３４、およびダイクロイックプリズム３５、３６を有する。可変焦点レンズ２、走査手段３、制御手段４および距離測定手段９は、前述の各実施形態のいずれかにおけるものと同じである。
　光源駆動回路３０は、入力映像信号に応じて、緑色用レーザ変調信号、赤色用レーザ変調信号および青色用レーザ変調信号をそれぞれ生成する。緑色用レーザ変調信号は、緑色レーザ光源３１に供給される。赤色用レーザ変調信号は、赤色レーザ光源３２に供給される。青色用レーザ変調信号は、青色レーザ光源３３に供給される。
　図１２に、赤色レーザ光源３２や青色レーザ光源３３として用いられるレーザ光源の構成を示す。
　図１２に示すレーザ光源は、電流変調回路７１、半導体レーザ７２、コリメート光学系７３を有する。電流変調回路７１は、光源駆動回路３０からのレーザ変調信号（赤色用または青色用）に応じて半導体レーザ７２に流れる電流を制御する。これにより半導体レーザ７２の出力光の強度が変調される。半導体レーザ７２からのレーザ光は、コリメート光学系７３にて平行光束化される。
　半導体レーザ７２として発振波長が６４０ｎｍの半導体レーザを用いたものが赤色レーザ光源３２である。半導体レーザ７２として発振波長が４４０ｎｍの半導体レーザを用いたものが青色レーザ光源３３である。
　図１３Ａに緑色レーザ光源３１の構成を示す。図１３Ａに示すレーザ光源は、駆動回路７４、赤外個体レーザ７５、第２高調波素子７６、音響光学素子７７、コリメート光学系７８および集光光学系７９ａ、７９ｂを有する。
　第２高調波素子７６は、赤外個体レーザ７５から集光光学系７９ａを介して入射する赤外レーザ（１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）を出力する。第２高調波素子７６からの第２高調波のビームは集光光学系７９ｂを介して音響光学素子７７に入射する。駆動回路７４は、光源駆動回路１０からのレーザ変調信号（緑色用）に応じて音響光学素子７７を駆動する。これにより、第２高調波素子７６からの第２高調波のビームの強度が変調される。音響光学素子７７からのビームは、コリメート光学系７８にて平行光束化される。
　図１３Ｂに緑色レーザ光源３１の別の構成を示す。図１３Ｂに示すレーザ光源は、電流変調回路８０、赤外半導体レーザ８１、集光光学系８２、第２高調波素子８３およびコリメート光学系８４を有する。
　電流変調回路８０は、光源駆動回路１０からのレーザ変調信号（緑色用）に応じて赤外半導体レーザ８１に供給される電流を変調する。赤外半導体レーザ８１からの赤外レーザは、集光光学系８２を介して第２高調波素子８３に入射する。
　第２高調波素子８３は、入射した赤外レーザの第２高調波を出力する。第２高調波素子８３からの第２高調波のビームは、コリメート光学系８４にて平行光束化される。
　図１１を再び参照する。緑色レーザ光源３１からのレーザ光（緑色）の進行方向には反射ミラー３４が設けられており、この反射ミラー３４で反射されたレーザ光（緑色）の進行方向に、ダイクロイックプリズム３５、３６、可変焦点レンズ２、走査手段３がこの順番で順に設けられている。
　ダイクロイックプリズム３５は、緑色レーザ光源３１からのレーザ光（緑色）と赤色レーザ光源３２からのレーザ光（赤色）との交差部に配置されている。ダイクロイックプリズム３５は、緑色レーザ光源３１からのレーザ光（緑色）を透過し、赤色レーザ光源３２からのレーザ光（赤色）を反射する。これにより、レーザ光（緑色）とレーザ光（赤色）が色合成される。
　ダイクロイックプリズム３６は、ダイクロイックプリズム３５からの色合成されたビーム（緑色＋赤色）と青色レーザ光源３３からのレーザ光（青色）との交差部に配置されている。ダイクロイックプリズム３６は、ダイクロイックプリズム３５からの色合成されたビーム（緑色＋赤色）を透過し、青色レーザ光源３３からのレーザ光（青色）を反射する。これにより、ビーム（緑色＋赤色）とレーザ光（青色）が色合成される。
　ダイクロイックプリズム３６からの色合成ビーム（緑色＋赤色＋青色）は、可変焦点レンズ２を介して走査手段３に供給される。
　走査手段３は、水平スキャナおよび垂直スキャナを有する。水平スキャナは、例えば共振型マイクロメカニカル走査素子よりなる。共振型マイクロメカニカル走査素子は、往復走査が可能な素子である。触れ角は±２０度であり、駆動周波数は１５ＫＨｚである。ここでは、駆動周波数１５ＫＨｚでの駆動を可能とするために、共振型マイクロメカニカル走査素子として、直径１４００μｍの矩形ミラーを用いる。
　垂直スキャナは、ガルバノミラーよりなる。ガルバノミラーは、例えば、触れ角±１５度とされており、６０Ｈｚのノコギリ波により駆動される。画像精細度は、水平が６４０画素、垂直が４８０画素のものとした。画面サイズは、投射距離４００ｍｍにおいて、水平が２９０ｃｍ、垂直が２２０ｃｍのものとした。
　レーザ光源は走査手段３と同期させ、画素クロック１８．４ＭＨｚ（５４ｎｓ）の１／８以下の時間単位（例えば６ｎｓ）で発光タイミング・強度の制御を行う。
　赤色レーザ光源３２および青色レーザ光源３３の各変調電流に３００ＭＨｚの高周波電流を重畳することにより、それら光源の波長幅を広げることができる。これにより、赤色レーザ光および青色レーザ光で生じるスペックルコントラストをさらに低減することができる。
　上述したカラー画像投射装置は一例であり、その構成は適宜に変更することができる。例えば、ダイクロイックミラーに代えて、ダイクロイックプリズム、ファイバーカプラ、その他の各種合波光学系を用いてもよい。
　各レーザ光源はファイバーレーザであってもよい。
　レーザの強度変調器として、グレーティング型ＭＥＭＳ変調器、導波路型変調器、電気光学結晶等の各種光変調器を用いてもよい。
　水平走査および垂直走査のための手段として、音響光学素子、電気光学結晶等を用いてもよい。
　水平走査および垂直走査のための手段のビーム偏向部（ミラー等）は、コリメートされたビーム径よりも大きければよい。この条件を満たすのであれば、ビーム偏向部の大きさおよび形状は適宜に変更することができる。
　以上説明した各実施形態は、本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。
　例えば、第１から第３の実施形態では、スペックルコントラストに基づいて可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を演算する距離測定手段を用いているが、これに代えて、三角測量を用いた既存の距離測定手段（測距手段）を用いてもよい。
　この距離測定手段（測距手段）は、発光素子と、発光素子からの光を被投射面に向けて投光する投光用レンズと、受光用レンズと、一次元配列撮像素子とを有する。発光素子からの光が被投射面にて反射され、その反射光が受光用レンズを介して一次元配列撮像素子に供給される。
　発光素子からの光により被投射面上に形成された輝点の像が受光レンズを介して一次元配列撮像素子上に結像される。一次元配列撮像素子上における輝点の像の位置から、三角測量の原理により、可変焦点レンズから被投射面までの距離を求める。
　また、光ビームで被投射面１２を走査する場合、被投射面１２の傾きや曲面状態により表示画像に歪が生じる場合がある。この画像歪を抑制するために、第３の実施形態の画像投射装置を以下のような構成としてもよい。
　水平走査線毎に、可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離が算出されるので、これら各距離の算出結果に基づいて、垂直方向における被投射面１２の傾きや曲面状態を調べることができる。被投射面１２の傾きや曲面状態に応じて、映像信号に対して上記の画像歪を補正するための処理を行ってもよい。具体的には、距離測定手段９が、水平走査線毎に演算した距離を変調信号生成手段（例えば図１１に示した光源駆動回路）に供給する。変調信号生成手段は、距離測定手段９から供給される水平走査線毎の距離情報に基づいて、垂直方向における被投射面１２の傾きや曲面状態を判定する。変調信号生成手段は、入力映像信号に対して、その判定した被投射面１２の傾きや曲面状態に応じた画像歪を補正するための処理を行う。そして、変調信号生成手段は、その画像歪補正がなされた映像信号に基づいて、レーザ光源を変調するための変調信号を生成する。
　また、第１の実施形態の画像投射装置において、距離測定手段９を図７に示した構成としてもよい。
　各実施形態において、被投射面上に投射または表示される画像は、映像や写真などの画像データだけでなく、文字、図形、表など、電子データに基づいて被投射面上に投射または表示することが可能なものを含む。
　また、各実施形態の画像投射装置において、起動後に、特性データを作成する処理を行ってもよい。具体的には、図１に示した画像投射装置において、所定の入力操作（例えば、特定のボタンを押す。）が行われると、制御手段４が、可変焦点レンズ２の焦点距離を段階的に変化させ、スペックルコントラスト算出手段７が、それぞれの焦点距離について、スペックルコントラスト値を算出する。さらに、スペックルコントラスト算出手段７が、その算出結果に基づいて、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームのビームウェストの位置から被投射面１２までの距離の変化に対するスペックルコントラストの変化を示す特性データを作成し、作成した特性データをルックアップテーブル手段８に保持させる。このようにして、実際の被投射面１２に関する特性データをルックアップテーブル手段８に保持させることで、可変焦点レンズ２によって集光された光ビームのビームウェストの位置から被投射面１２までの距離をより正確に算出することができる。被投射面１２となる対象物が他の対象物に変わらない限りは、その特性データを繰り返し使用することができる。
　また、スペックルコントラストは、被投射面１２の状態（凹凸の状態）によって異なるので、特性データは、被投射面１２とされる対象物の種類毎に作成してもよい。この場合は、距離測定装置において、起動後に特性データを選択するための入力操作を行う必要がある。
　なお、被投射面１２とされる対象物を特定の物、例えば画像投射用のスクリーンに限定する場合は、そのスクリーンに関する特性データをルックアップテーブル手段８に予め保持させてもよい。
　本発明は、ラスター走査のもの以外に、ベクトル走査のものにも適用することができる。
　また、各実施形態において、スペックルコントラストに基づいて可変焦点レンズ２から被投射面１２までの距離を演算する手段（距離測定装置および距離測定方法）は、本発明の投射画像装置を実現する主要な構成の１つであって、それ自体で、新規な構成を提供するものである。
　距離測定装置では、レーザ光源を被検出物体（面）の照明手段とし、ルックアップテーブル手段から被検出物体（面）の距離を測定する。
　距離測定装置の一態様は、焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、上記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査する走査手段と、上記光ビームによって走査された被検出面を撮像する撮像手段と、上記撮像手段からの画像データに基づいて、上記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、上記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、上記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から上記被検出面までの距離の変化に対する上記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、上記撮像手段による撮像時に設定されていた上記可変焦点レンズの焦点距離と、上記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、上記可変焦点レンズから上記被検出面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する。
　また、距離測定方法の一手順によれば、焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査して、該光ビームによって走査された被検出面を撮像し、上記撮像により得られた画像データに基づいて、上記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出し、上記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、上記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から上記被検出面までの距離の変化に対する上記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持したテーブルを参照し、上記撮像時に設定されていた上記可変焦点レンズの焦点距離と、算出した上記スペックルコントラストの値とに基づいて、上記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を計算する。
　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
　この出願は、２００９年１０月１５日に出願された日本出願特願２００９－２３８０８７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

  1. 　焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
    　前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査する走査手段と、
    　前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定する距離測定手段と、
    　前記可変焦点レンズの焦点距離が前記距離測定手段にて測定された距離よりも長くなるように前記可変焦点レンズを制御する制御手段を有する画像投射装置。
  2. 　前記距離測定手段は、
    　前記走査手段からの光ビームによって前記被投射面に表示された表示画像を撮像する撮像手段と、
    　前記撮像手段からの画像データに基づいて、前記被投射面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
    　前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被投射面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記撮像手段による撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、請求の範囲第１項に記載の画像投射装置。
  3. 　前記スペックルコントラスト算出手段は、
    　前記撮像手段からの画像データに基づいて前記表示画像の各画素の値の平均値を算出する画像平均算出手段と、
    　前記撮像手段からの画像データに基づいて前記各画素の値の標準偏差を算出する画像標準偏差算出手段と、
    　前記画像標準偏差算出手段にて算出された標準偏差の値を前記画像平均算出手段にて算出した平均値で割った値を前記スペックルコントラストとして出力する除算手段を有する、請求の範囲第２項に記載の画像投射装置。
  4. 　第１の偏光成分の光を透過し、前記第１の偏光成分とは異なる第２の偏光成分の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
    　前記偏光ビームスプリッタを介して前記第１の偏光成分の光ビームを前記可変焦点レンズに供給するレーザ光源を、さらに有し、
    　前記偏光ビームスプリッタは、前記可変焦点レンズから入射した光ビームのうち、前記第２の偏光成分の光を前記撮像手段へ向けて反射する、請求の範囲第２項または第３項に記載の画像投射装置。
  5. 　前記距離測定手段は、
    　前記走査手段からの光ビームが前記被投射面で反射された反射光を検出し、該反射光の強度の変化を示す時系列の強度信号を出力する光検出手段と、
    　前記光検出手段から出力された時系列の強度信号に基づいて、前記被投射面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
    　前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被投射面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記光検出手段による反射光の検出時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、請求の範囲第１項に記載の画像投射装置。
  6. 　前記スペックルコントラスト算出手段は、
    　前記光検出手段からの時系列の強度信号の値を２乗する第１の２乗回路と、
    　前記第１の２乗回路の出力信号の所定時間あたりの平均値を算出する第１の積分回路と、
    　前記光検出手段からの時系列の強度信号の前記所定時間あたりの平均値を算出する第２の積分回路と、
    　前記第２の積分回路の出力信号の値を２乗する第２の２乗回路と、
    　前記第１の積分回路から出力された前記時系列の強度信号の２乗の時間平均の値から前記第２の２乗回路から出力された前記時系列の強度信号の時間平均の２乗の値を減算する減算回路と、
    　前記減算回路の出力値を前記第２の２乗回路から出力された前記時系列の強度信号の時間平均の２乗の値で割った値を前記スペックルコントラストの２乗の値として出力する除算器を有する、請求の範囲第５項に記載の画像投射装置。
  7. 　第１の偏光成分の光を透過し、前記第１の偏光成分とは異なる第２の偏光成分の光を反射する偏光ビームスプリッタと、
    　前記偏光ビームスプリッタを介して前記第１の偏光成分の光ビームを前記可変焦点レンズに供給するレーザ光源を、さらに有し、
    　前記偏光ビームスプリッタは、前記可変焦点レンズから入射した光ビームのうち、前記第２の偏光成分の光を前記光検出手段へ向けて反射する、請求の範囲第５項または第６項に記載の画像投射装置。
  8. 　前記走査手段は、
    　前記可変焦点レンズからの光ビームを第１の方向に沿って走査する第１の走査手段と、
    　前記第１の走査手段からの光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って走査する第２の走査手段を有し、
    　前記所定時間が、前記第１の走査手段による前記第１の方向の走査線１本分の走査時間の半分の時間である、請求の範囲第５項から第７項のいずれか１項に記載の画像投射装置。
  9. 　前記制御手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離とレーリー長との対応関係を示すレーリー長対応情報を保持しており、前記可変焦点レンズの焦点距離を変更する場合に、前記レーリー長対応情報を参照し、変更後の焦点距離と前記距離測定手段で取得した距離との差分がその変更後の焦点距離におけるレーリー長により規定される範囲内になるように、前記可変焦点レンズの焦点距離を決定する、請求の範囲第１項から第８項のいずれか１項に記載の画像投射装置。
  10. 　焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被投射面を走査して画像を表示する画像投射方法であって、
    　前記可変焦点レンズから前記被投射面までの距離を測定し、該測定された距離よりも長い焦点距離を前記可変焦点レンズに設定する、画像投射方法。
  11. 　焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズと、
    　前記可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査する走査手段と、
    　前記光ビームによって走査された被検出面を撮像する撮像手段と、
    　前記撮像手段からの画像データに基づいて、前記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出するスペックルコントラスト算出手段と、
    　前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被検出面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持しており、該保持した特性データを参照し、前記撮像手段による撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、前記スペックルコントラスト算出手段にて算出したスペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を取得するルックアップテーブル手段を有する、距離測定装置。
  12. 　焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズによって集光された光ビームで被検出面を走査して、該光ビームによって走査された被検出面を撮像し、
    　前記撮像により得られた画像データに基づいて、前記被検出面で生じたスペックルの度合いを示すスペックルコントラストを算出し、
    　前記可変焦点レンズに設定される異なる複数の焦点距離のそれぞれについて、前記可変焦点レンズによって集光された光ビームのビームウェストの位置から前記被検出面までの距離の変化に対する前記スペックルコントラストの変化を示す特性データを保持したテーブルを参照し、前記撮像時に設定されていた前記可変焦点レンズの焦点距離と、算出した前記スペックルコントラストの値とに基づいて、前記可変焦点レンズから前記被検出面までの距離を計算する、距離測定方法。
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