ビーム不整合によるレーザー投影

专利摘要:
レーザー・ソース、投影光学系、走査光学系、及び走査コントローラを備えたレーザー投影システムが提供される。レーザー・ソースが２つの光ビームを生成するよう構成された少なくとも２つの点光源Ｐ１、Ｐ２から成っている。走査コントローラが走査光学系を駆動して画像のラインが投影される高速走査軸方向及び光ビームが前記投影画像の次のラインに備える低速走査軸方向を規定するよう構成されている。点光源の互いの相対位置及び投影光学系の光軸に対する相対位置によって、第１及び第２光ビームが投影光学系の下流において角度不整合される。点光源の各々が、高速走査軸方向より低速走査軸方向において、第１及び第２光ビームが大きく不整合されるよう配置されている。
公开号:JP2011508261A
申请号:JP2010539434
申请日:2008-12-11
公开日:2011-03-10
发明作者:アルモリック，エティエンヌ；エム グロチョシンスキー，ジェイムズ；ゴリエ，ジャック
申请人:コーニング インコーポレイテッド；
IPC主号:G02B26-10

专利说明:

[0001] 本出願は２００７年１２月２０日出願の“Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ（ビーム不整合によるレーザー投影）”と題する、米国特許出願第１２／００４，１８１号の優先権を主張するものである。]
技術分野

[0002] 本発明は異なる波長スペクトルを有することを特徴とする複数の光ビームを用いたレーザー投影システム及びレーザー投影方法に関するものである。具体的には、目の安全性を向上する一方、レーザー投影における画質の劣化を回避又は少なくとも抑制できる投影システムの設計及び動作に関するものである。]
背景技術

[0003] 走査型レーザー投影システムの設計及び動作に関する多くの安全規則において、走査中において超えてはならない最大のレーザー照射電力閾値が定められている。多くの場合、これらの照射制限は使用するレーザーのクラスに関係している。１つの安全基準によれば、投影システムが画像投影に一連のレーザーパルスを用い、そのパルスが１８マイクロ秒又はそれ以下の間見る人の目に照射される場合、安全限度を超えているか否かの判断において、一連のパルスにおける各パルスの総合的寄与を考慮する必要がある。従って、多くの場合、一般に目損傷時定数と呼ばれる安全基準を遵守するために最小インターパルス遅延、即ち、パルス間遅延を定める必要がある。]
[0004] インターパルス遅延を適切に設定した後は、レーザーの安全性は、一般にトータルオンタイムパルス（ＴＯＴＰ）と呼ばれる、所定の時間ウィンドウにおける全パルス持続時間によって評価される。ＴＯＴＰは所定の時間ウィンドウにおけるすべてのパルスの持続時間の合計として、例えば、０．２５秒というように算出される。投影システムの被爆放出限界（ＡＥＬ）はＴＯＴＰに指数関数比例するため、少しのＴＯＴＰの増加でも大幅なＡＥＬの増大につながる。多色レーザー投影システムの場合には、各投影色についてＴＯＴＰを累計する必要がある。その結果、投影システムが投影画像の生成に使用する各色のビームを角度不整合する幾つかの構想が提案されている。かかるシステムの例がソニー株式会社の特許文献１に記載されている。]
先行技術

[0005] 米国特許第７，２５５，４４５明細書]
課題を解決するための手段

[0006] 多くの走査型レーザー投影システムは、駆動されることにより各々の異なる色のビームを画像のラインが投影される高速走査軸方向及び光ビームが投影画像の次のラインに備える低速走査軸方向に走査することにより走査画像を形成する走査ミラー又は一種の光学的構成を採用している。本発明者らは、多数のビームを低速走査軸方向に不整合する場合、光ビームを低速走査軸方向に不整合して目が光ビームに晒される時間を長くできることに気付いた。本発明の１つの実施の形態によれば、異なる光ビームの低速走査軸方向における偏向が、標準の目の瞳の角度範囲の約１／２から約全角度範囲にわたり、且つ所定の目損傷時定数より長い走査間隔により不整合される。]
[0007] 一般に、光ビームを不整合するためには走査動作にインターパルス遅延の導入が必要である。この遅延によりスキャナーのデューティー・ファクターが低下し、従って、投影スクリーン上における全電力が低下する。]
[0008] 本発明の１つの実施の形態によれば、レーザー・ソース、投影光学系、走査光学系、及び走査コントローラを備えたレーザー投影システムが提供される。レーザー・ソースは、例えば、同一チップ上の２つのレーザー・ダイオードである、少なくとも２つの近接発光点光源から成っている。次に、プロジェクターの光学的構成が計算され、ビーム成形機能及び照射限界の向上に必要な最小分離角度が与えられる。]
図面の簡単な説明

[0009] 以下の本発明の具体的な実施の形態の詳細な説明は、以下の図面と併せて読むことでよく理解できる。図において、同様の構造体には同様の符号が付してある。
本発明の実施の形態によるレーザー投影システムの概略図。
本発明の実施の形態によるレーザー投影システムの概略図。
２つの角度不整合光ビームの画像面における偏向を示す概略図。
２つの角度不整合光ビームの画像面における偏向を示す概略図。
２つの角度不整合光ビームの画像面における偏向を示す概略図。
走査レーザー画像の歪を示す図。]
実施例

[0010] 以下の詳細な説明において、本明細書の一部を構成し、本発明を制限するものではなく、本発明を実施できる具体的な実施の形態の例示を意図した添付図面について説明する。別の実施の形態も可能であり、また本発明の主旨及び範囲を逸脱せずに各種変更が可能であることは当然である。]
[0011] 図１Ａ及び１Ｂは本発明の実施の形態によるレーザー投影システム１００の概略図である。レーザー投影システム１００はレーザー・ソース１１０、投影光学系１１５、走査光学系１２０、及び走査コントローラ１３０を有している。一般に、レーザー・ソース１１０は多発光体レーザー・ソースから成り、第１及び第２光ビーム１１１、１１２を生成するよう構成されているが、特に投影システム１００がＲＧＢ投影システムのような多色プロジェクターとして構成される場合には、３ビーム・システムも可能である。２つの発光体Ｐ１及びＰ２は、例えば、２つの発光点が同一チップ上にあるダブル発光体レーザー又は多発光体二重周波数レーザーから成ることができる。２つの発光体Ｐ１及びＰ２は同じ波長を有し、個別に変調することができる。別の場合、Ｐ１、Ｐ２、及び潜在的にＰ３が近接一体化された異なるレーザー・チップから成り、個別の波長スペクトル、即ち、異なる発光波長を有することができる。限定ではなく例として、レーザー・ソース１１０は、各々が３つの明確な発光色のそれぞれに対応する３つの個別発光体を有することができる。
図示の実施の形態において、走査光学系１２０が、例えば、光ビーム１１１、１１２を２つの直交する走査軸１２２、１２４を中心に略±６０度偏向する二軸ジンバル搭載ＭＥＭＳ走査ミラーのような走査ミラーの形態を成している。走査ミラー１２０に関して本明細書に幾つかの実施の形態が記載してあるが、様々な既存又は未開発の光学構成を用いて本発明を実施するための適切な走査光学系を形成することができる。] 図１Ａ
[0012] 図１Ａ及び２において、２つの光ビーム１１１、１１２の波長スペクトルの特性とは無関係に、走査コントローラ１３０が走査ミラー１２０を低速走査軸方法２２０及び高速走査軸方向２３０に駆動するよう構成されている。また、レーザー・ソース１１０、投影光学系１１５、及び走査ミラー１２０が第１及び第２光ビーム１１１、１１２が走査ミラー１２０の低速走査軸方向２２０への移動によって規定される低速走査面において異なる入射角で走査ミラー１２０に入射するよう構成されている。必須ではないが、第１及び第２光ビーム１１１、１１２がミラー１２０の略同一位置に入射することが好ましい。偏向されたビームは画像面１５０に向けられ、図２に概略的に示す画像２００が形成される。] 図１Ａ 図２
[0013] 第１及び第２光ビーム１１１、１１２を異なる入射角で確実に走査ミラー１２０に入射させるためのレーザー・ソース１１０及び投影光学系１１５の役割が図１Ｂに更に詳細に示してある。図１Ｂに示すように、第１及び第２光ビーム１１１、１１２のそれぞれの点光源Ｐ１、Ｐ２の投影光学系１１５の光軸１１６に対する配置及び向きにより、第１及び第２光ビーム１１１、１１２の伝搬方向に相対的な相違が生じる。この伝搬上の相違を調整できるよう投影光学系１１５及びレーザー・ソース１１０を構成することができ、それにより画像面１５０においてビーム１１１、１１２を適切に不整合できる。] 図１Ｂ
[0014] 比較的簡易な実施の形態において、投影光学系１１５が１枚の平行化レンズから成り、以下の関係又はその関係と数学的に等価なものを参照することにより、分離角度θを調整することができる。]
[0015] ここで、Δｙは第１及び第２光ビーム１１１、１１２の伝搬方向に直交する方向におけるビーム１１１、１１２の点光源間の距離であり、ｆはレンズ１１５の焦点距離である。レーザー投影システムにおいて、略平行化レンズの焦点距離ｆは画像面１５０における所望のスポット・サイズによって決定される。レンズの焦点距離ｆは固定であるため、多くの場合、ビーム１１１、１１２の分離角度θはレーザー・ソース１１０を調整可能な点光源とし、ビーム１１１、１１２の点光源発光体間の距離Δｙを変更することにより調整される。調整可能な点光源は、個別に位置決め可能な共通のフレーム上に取り付けられた独立発光体として、レーザー・チップに実装又は形成された個別に位置決め可能な発光体として、あるいは様々な既存又は未開発の構成として提供できる。本発明の説明及び本発明を明確にする上において、“点”光ビーム・ソースとは発生点が容易に識別可能なレーザー又はその他の光ビーム・ソースを意味し、様々な既存又は未開発の光源から成ることができる。また、 本明細書において、“平行化”レンズとは発散光信号の平行度を増加させる傾向があるあらゆるレンズ素子を意味し、理想的又は完全な平行化レンズに限定されるものではない。]
[0016] 図１Ａに概略を示し、図２により以下に詳細に説明してあるように、レーザー・ソース１１０、走査光学系１２０、及び走査コントローラ１３０は、走査ミラー１２０による第１及び第２光ビーム１１１、１１２の偏向が、低速走査軸方向２２０において大きさｄだけ角度的に不整合されるよう構成されている。この大きさｄは特定の安全基準を満足するためと画像の明るさ及び画質の観点からのレーザー・プロジェクターの性能を最適化するために考慮する必要がある最小及び最大インターパルス遅延に応じて調整可能である。具体的には、本発明の１つの実施の形態によれば、走査ミラー１２０による第１及び第２光ビーム１１１、１１２の偏向が、低速走査軸方向２２０において、標準の目の瞳の角度範囲の約１／２から約全角度範囲にわたり角度的にずらされる。多くの場合、この不整合は、標準の瞳位置が１００ｍｍ、標準の最大瞳径が７ｍｍとしたとき、低速走査軸方向２２０において、第１及び第２光ビームの偏向を少なくとも約３５ｍｒａｄ且つ約７０ｍｒａｄ未満ずらすことにより達成できる。前記数式によれば、発光体Ｐ１、Ｐ２間の距離Δｙを調整することにより角度不整合を達成できる。例として、直径３μｍの発光点及びプロジェクターから１ｍ離れたスクリーン上の画像のピクセル・サイズが２００μｍとすると、レンズ１１５の焦点距離が約１５ｍｍとなる。従って、発光体Ｐ１、Ｐ２間の距離Δｙは、３５ｍｒａｄの角分離に対し少なくとも０．５３ｍｍ、また７０ｍｒａｄの角分離に対しては１．０５ｍｍとなる。] 図１Ａ 図２
[0017] 図２は実際と縮尺が異なる画像面２００及び目の瞳２５０の概略図であり、低速走査軸方向２２０において、第１及び第２光ビーム１１１、１１２の偏向を標準の目の瞳全角度範囲ｐに等しい角度ｄだけずらした場合を示している。この場合、パルス当りのエネルギーは、所定のビームスポットが瞳２５０の縁にあるときの最小値から中心にあるときの最大値まで振動する。] 図２
[0018] 図３及び４は、画像面２００において、第１及び第２光ビーム１１１、１１２を標準の瞳の全角度範囲ｐの１/２だけ低速走査軸方向２２０に角度的にずらした場合を示す図である。この場合、目の瞳２５０に対し、１つのビームスポット、即ち、第１光ビーム１１１のビームスポットによってもたらされるエネルギーが最小のとき、他のビームスポット、即ち、第２光ビーム１１２のビームスポットによってもたらされるエネルギーが最大となるため、パルス当りのエネルギーは略一定に保持される。更に、第１ビームスポット、即ち、第１光ビーム１１１のビームスポットが図３の最大エネルギー位置から瞳２５０の端部に近い低エネルギー位置に移動するに従い、図４に示すように第２ビームスポット、即ち、第２光ビーム１１２のビームスポットが図３の最小エネルギー位置から瞳２５０の中心に近い高エネルギー位置に移動する。その結果、パルス当りのエネルギーの振動は、第１及び第２光ビームを標準の目の瞳の全角度範囲ｐだけずらした場合ほど極端にはならない。] 図３ 図４
[0019] レーザー投影システムの設計において考慮すべきもう１つの重要なパラメータに画像歪がある。一般的な走査型レーザー投影システムにおいては投影画像に一定の歪が生じる。例えば、図５の画像２００において、方形画像が正確な方形を成していない。それ故、かかるシステムには画像歪アルゴリズムを適用して歪を補償するのが一般的である。本明細書に記載のように、回転ミラーに対し異なる入射角を有する多数の光ビームを使用する場合を考えると問題は若干複雑になる。実際、歪パターンは回転ミラーに対する入射角の関数になる。そのため、画像を位置合せする上において、光ビーム間に遅延を導入するだけでは不充分であると思われる。例えば、７０ｍｒａｄの角度不整合を考えると、歪パターンの相違はパターン・サイズの約０．３％となる。従って、例えば、画像が１０００ラインから成る場合、光ビームの位置合せ上のエラーが３ラインとなり、画像の端部において画質が大幅に低下する。そのため、適切な画質を確保するため、各光ビームに対し個別の画像歪修正アルゴリズムを用いて画像全面にわたり位置合わせする必要がある。] 図５
[0020] 従って、個別の画像歪修正アルゴリズムを導入することにより、ハードウェアの追加を必要とせずにレーザー投影システムの最大照射係数を向上させることができる。１つの実施の形態において、光ビームそれぞれの画像データセットに基づいて走査レーザー画像を生成するよう走査コントローラをプログラムすることができる。画像データセットは個別の画像データ部分から成っていてよい。個別の画像歪修正アルゴリズムを各光ビームの画像データ部分に適用できる。個別の画像歪修正アルゴリズム間の相違は光ビームに与えられた低速走査軸方向における角度不整合の関数となる。]
[0021] 同様に、光ビーム間に比較的大きな遅延を必要とする場合、特に走査コントローラ１３０がサイズの大きいデータ・バッファを使用する必要がある場合、複雑度が増す。本発明の１つの実施の形態において、光ビームそれぞれの画像データセットに基づいて走査レーザー画像を生成するよう走査コントローラ１３０をプログラムすることができる。画像データセットは個別の画像データ部分から成っていてよい。次に、低速走査軸方向における光ビームに与えられた角度不整合の関数である時間だけ個別の画像データ部分を相対遅延させることができる。]
[0022] 本明細書において、“好ましくは”、“通常”、及び“一般に”という用語は特許請求の範囲を限定するものではなく、また特定の特徴が特許請求した本発明の構造又は機能にとって非常に重要である、必須である、あるいは重要であることを暗示するものではない。むしろ、これらの用語は単に本発明の実施の形態における特定の特徴を明示すること又は本発明の特定の実施の形態に使用可能又は使用できない別の又は追加の特徴を強調することを意図したものに過ぎない。]
[0023] 本発明の説明及び範囲を明確にする意味において、本明細書において“約”という用語は量的比較、数値、測定値、あるいはその他の表記において、必然的に内在する不確かさを表すものである。また、“約”という用語は、当該対象の量的表記がその基本的機能の変化を伴うことなく記述した基準値から変化可能な程度を表すのにも使用される。]
[0024] 本明細書において、特定の方法で“プログラムされた”、あるいは特定の特性又は機能を特定の方法で具体化するために“構成された”又は“プログラムされた”本発明の構成要素は、使用目的を記述したものではなく構造を記述したものである。具体的には、構成要素を“プログラムする”又は“構成する”方法の記述は、その構成要素の物理状態を意味するものであり、その構成要素の構造的特性の明確な記述であると解釈されるべきである。]
[0025] 以下の１つ以上の請求項において、移行句として“であって”という用語が使用されている。本発明を規定する意味において、前記用語は構造の一連の特性を列挙するために制約のない移行句として請求項に使用されており、より一般的に使用される制約のない前文用語“から成り”と同等に解釈されるべきである。]
[0026] これまで特定の実施の形態を参照しながら本発明を詳細に説明してきたが、添付の請求項に規定する本発明の範囲を逸脱せずに種々の修正及び変更が可能であることは明白である。具体的には、本発明の特定の態様を好ましい又は特に有益であると説明したが、本発明は必ずしもこれらの好ましい態様に限定されるものではない。]
[0027] １００レーザー投影システム
１１０レーザー・ソース
１１１ 第１光ビーム
１１２ 第２光ビーム
１１５投影光学系
１２０走査光学系
１３０走査コントローラ
２００ 画像面
２２０低速走査軸方法
２３０高速走査軸方向
２５０ 目の瞳
Ｐ１、Ｐ２ 点光源]

权利要求:

請求項1
レーザー・ソース、投影光学系、走査光学系、及び走査コントローラを備えたレーザー投影システムであって、前記レーザー・ソースが少なくとも２つの点光源Ｐ１、Ｐ２から成り、前記第１点光源が第１光ビームを生成するよう構成されて成り、前記第２点光源が第２光ビームを生成するよう構成されて成り、前記走査コントローラが前記走査光学系を駆動して画像のラインが投影される高速走査軸方向及び前記光ビームが前記投影画像の次のラインに備える低速走査軸方向を規定するよう構成されて成り、前記点光源の相互の相対位置及び前記投影光学系の光軸に対する相対位置によって、前記第１及び第２光ビームが前記投影光学系の下流において角度不整合され、前記点光源の各々が、前記高速走査軸方向より前記低速走査軸方向において、前記第１及び第２光ビームが大きく不整合されるよう配置されて成ることを特徴とするシステム。
請求項2
前記レーザー・ソースが、前記第１及び第２光ビームの前記点光源各々の前記投影光学系に対する位置を調整可能に構成されて成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
請求項3
前記レーザー・ソース、走査光学系、及び走査コントローラが、前記第１及び第２光ビームの偏向が、前記低速走査軸方向において、標準の目の瞳の角度範囲の約１／２から約全角度範囲にわたり不整合されるよう構成されて成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
請求項4
前記走査コントローラが、前記第１光ビーム専用の第１画像データ部分及び前記第２光ビーム専用の第２画像データ部分から成る画像データセットに基づいて走査レーザー画像を生成し、前記第１及び第２画像データ部分を前記低速走査軸方向における前記第１及び第２光ビームに与えられた角度不整合の関数である時間だけ相対遅延させるようプログラムされて成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
請求項5
前記走査コントローラが、前記第１光ビーム専用の第１画像データ部分及び前記第２光ビーム専用の第２画像データ部分から成る画像データセットに基づいて走査レーザー画像を生成し、前記第１及び第２画像データ部分に対し、個別の画像歪修正アルゴリズムであって、両者の相違が前記第１及び第２光ビームに与えられた低速走査軸方向における角度不整合の関数である個別のアルゴリズムを適用するようプログラムされて成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。