空間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、走査光学系、ビーム分割光学系、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。１つの実施の形態によれば、レーザー・ソースが、放射波長スペクトルが異なる少なくとも２つの光ビームを生成するよう構成されている。ビーム分割光学系が走査光学系の下流に配され、２つの光ビームを空間的にずれた伝搬軸に分割することにより、画像面において、２つの光ビームを波長に応じて不整合するよう構成されている。本発明の別の実施の形態によれば、ビーム分割光学系が走査光学系の下流に配され、２つの光ビームを空間的にずれた伝搬軸に分割することにより、画像面において、２つの光ビームを偏光に応じて不整合するよう構成されている。
公开号:JP2011514979A
申请号:JP2010539439
申请日:2008-12-12
公开日:2011-05-12
发明作者: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:G02B27-18

专利说明:

[0001] 本出願は２００７年１２月１９日出願の米国特許出願第１２／００２，８６９号の優先権を主張するものであり、本出願はその内容に依拠すると共に本引用によりその内容がそっくりそのまま本明細書に組み込まれたものとする。]
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、目に対する入射光量を低減する一方、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、その１つの重要なパラメータは投影システムの出力端におけるエネルギーが集中する表面である。画像生成に小さな走査ミラーを用いるレーザー走査システムでは、エネルギーの最大拡散面はミラーの表面に限定される。画像生成に空間変調器を用いる別のフレーム投影システムにおいては、エネルギーの最大拡散面は投影レンズの射出瞳によって決定される。]
課題を解決するための手段

[0004] 本発明者らは、照射限界は投影機器の瞳段階における電力密度に関連していることに気付いた。エネルギーを大きな面に拡散すれば照射限界が向上する。例えば、レーザー走査システムにおいて、エネルギーが拡散できる最大の大きさは走査ミラーの最大サイズに限定される。走査速度が非常に速いため、ミラーの大きさは約１ｍｍに制限される。本発明の１つの実施の形態によれば、レーザー・ソース、ビーム分割光学系、及びコントローラから成るレーザー投影システムが提供される。レーザー・ソースで生成された多数のビームが走査光学系によって反射された後に分割される。この分割により、プロジェクターの瞳像が人工的に多数形成される、つまりエネルギーが広い領域に拡散される。]
[0005] 本発明者らは、人間の目の色感度を考慮したとき、白色スクリーンの生成に要する相対電力は、赤が約５０％、緑が約３０％、及び青が約２０％であることを認識することにより、本発明の画像化を最適化できることにも気付いた。その結果、異なる色の画像の電力振幅を同じとせず、各々の色を異なる振幅とすることにより画像化を最適化できる。従って、本発明の特定の画像化モードにおいて、青と緑の波長スペクトルから成る光ビームが、正しく整合されたまま、赤の波長スペクトルから成る光ビームに対してシフトされる。この場合、走査システムは相対振幅が同じ２つの光路のみから成ることになる。]
図面の簡単な説明

[0006] 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によりよく理解できる。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。
本発明の別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

[0007] 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。]
[0008] 図１Ａ及び１Ｂは、画像面において２つ以上の光ビームを制御された状態で空間不整合できる本発明の２つのレーザー投影システム１００の概略図である。具体的には、図１Ａの実施の形態及び図２の図解に示すように、レーザー投影システム１００はレーザー・ソース１１０、走査型投影光学系１２０、ビーム分割光学系１６０、及び走査コントローラ１３０を有している。レーザー・ソース１１０は少なくとも２つの光ビーム１１１、１１２を生成するよう構成されている。レーザー・ソース１１０によって生成される第１の光ビーム１１１と第２の光ビーム１１２とは波長スペクトルが異なることを特徴とするものである。また、走査コントローラ１３０は、走査型投影光学系を駆動して画像のラインが投影面１５０に投影される方向である第１走査軸方向２２０及び光ビームが投影画像１５０の次のラインに備える方向である第２走査軸方向２３０を画成するよう構成されている。] 図１Ａ 図２
[0009] 図１Ａに示すように、レーザー・ソース１１０は、第１及び第２光ビーム１１１、１１２が略共通の伝搬軸に沿って走査型投影光学系１２０に向かうよう構成されている。ビーム分割光学系１６０は、走査光学系１２０によって偏向された２つの光ビーム１１１、１１２を距離ｄだけ離間した略平行な伝搬軸に分割することにより、画像面１５０において、２つの光ビームが波長に応じて空間不整合されるよう構成されている。図示の実施の形態において、ビーム分割光学系１６０は波長依存ビーム・スプリッター及び光ビームを画像面１５０に向かわせるよう構成された適切な光学反射面を有している。従って、図１Ａの構成において、プロジェクターの前にいる観察者は、ビーム分割光学系１６０を通して、プロジェクターの瞳像に対応する２つの輝点を見ることになる。従って、Ｗ/ｍｍ２単位のエネルギー密度が低下し、最大照射係数が向上する。また、図１Ａにおいて、ビーム・スプリッターが走査ミラーの極近傍に位置しているため、全体のサイズがミラーの大きな走査角によって著しく増大する前にビームが分離される。] 図１Ａ
[0010] 図示の実施の形態において、走査型投影光学系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型投影光学系を形成することができる。]
[0011] 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、第１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の空間的な大きさｐに等しい距離ｄだけ空間的にずらした場合を示している。この場合、目によってビーム１１１、１１２が同時に収集されることはない。従って、空間的に分離されていることに加え、収集された光は時間的にも分離されている。スピードの遅い画像走査方向にビーム分割を導入することにより、一般に約１８ｍｓと言われている目の時定数より大きい遅延をもってビーム１１１から収集されたパルスをビーム１１２から収集されたパルスから分離することができる。] 図２
[0012] 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を瞳径ｐの１/２だけ空間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２光ビーム１１２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１光ビーム１１１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光ビームを瞳径ｐだけずらした場合ほど極端にはならない。換言すれば、ビーム分離間隔は図４の構成の方が小さいが、図２の構成におけるパルス当りの最大エネルギーは図４の構成と同じである。] 図２ 図３ 図４
[0013] 図２及び図１Ａの実施の形態について更に説明する。図２において、図１Ａの実施の形態の別の態様の説明に資するよう第２光ビーム１１２が２つのカラー光ビームとして示してある。具体的には、多くの場合、可能な限り多くのシフトビームの使用が照射限界を超えないための理想的な形態ではあるが、シフトビームの数を制限してレーザー投影システム１００のデューティー・ファクターの過度の低下を抑制することが望ましい。従って、１つの最適解として、１つが赤色を含み他が青色及び緑色を含む２つのシフト光ビームの利用が考えられる。画像データセットに基づいて、走査コントローラ１３０が視覚的に明確な２つの色を含む光ビーム及び視覚的に明確な１つの色を含む別の光ビームを用いて走査レーザー画像を生成するよう構成されている別の視点において、どの色を単色ビームに含めるか決定する際、各々のビームの画像に対する色彩貢献度が考慮される。具体的には、この実施の形態によれば、二色ビームの視覚的に明確な２つの色の各々の色彩貢献度より大きい色彩貢献度を有する色が単色ビームに選択される。本発明の説明及び本発明を明確にする上において、特定の色の走査画像に対する“色彩貢献度”は画像の生成に必要な光パルスの振幅で測定できる。例えば、前記赤／緑／青の例において、白色スクリーンの生成に必要な３つの光ビーム間の相対電力は赤が約５０％、緑が約３０％、及び青が約２０％である。従って、赤色光の色彩貢献度は５０％であると言える。このため、赤を光ビーム１１１として分離し、青と緑とをビーム１１２とすることにより、２つの光路に電力が均等に分配される。] 図１Ａ 図２
[0014] 画像を適切に位置合わせするため、ビーム１１１及び１１２の生成源が個別に変調され、前記画像データの遅延が確保され適切な画像の位置合わせが行われる。画像データの遅延はスクリーン距離の関数として調整する必要がある。これはフォーカス・センサーのようなシステムを使用して手動又は自動で行うことができる。]
[0015] 以下、レーザー・ソース１１０が、直交偏光ベクトルを有する少なくとも２つの相補的且つ区別可能なサブソース１１０Ａ、１１０Ｂを有して成る図１Ｂに示す本発明の実施の形態について説明する。レーザー・ソース１１０全体として、各々がサブソース１１０Ａ、１１０Ｂの何れかによる２つの光ビーム１１１、１１２が生成される。更に、レーザー・ソース１１０は偏光によりサブソース１１０Ａ、１１０Ｂを結合するよう構成された偏光部品１７０を有している。また、レーザー・ソース１１０は、偏光部品の下流において、第１及び第２光ビーム１１１、１１２が共通の光軸に沿って走査型投影光学系１２０に向け伝搬すると共に、それぞれの偏光を維持するよう構成されている。偏光依存ビーム分割光学系１８０が走査型投影光学系１２０の下流に配され、２つの光ビーム１１１、１１２を距離ｄ離間した略平行な伝搬軸に分割することにより、画像面１５０において、２つの光ビームを偏光に応じて不整合するよう構成されている。一般に、偏光依存ビーム分割光学系１８０は偏光依存ビーム・スプリッター及び光ビームを画像面１５０に向かわせるよう構成された適切な光学反射面を有している。] 図１Ｂ
[0016] 図１Ｂの場合、ビーム１１１、１１２が同等又は異なる波長スペクトルを規定できると考えられる。例えば、両方のビームがＲＧＢの３色を含むことができ、この場合、各々のレーザー・ソース１１０Ａ及び１１０Ｂが３色に対応する３つのレーザーを有することになる。図１Ａの実施の形態同様、画像を適切に位置合わせするため、ソース１１０Ａ及び１１０Ｂが個別に変調され、前記画像データの遅延が確保され適切な画像の位置合わせが行われる。前記のように、画像データの遅延はスクリーン距離の関数として調整する必要がある。] 図１Ａ 図１Ｂ
[0017] 本発明の１つの態様によれば、図１Ａ及び１Ｂの実施の形態に変更を加えることにより、分割され空間的にずらされた光ビーム１１１、１１２によって所定の投影距離にある画像面１５０に配された投影スクリーン上の同一位置に収束入射する伝搬軸が画成される。このような収束は図１Ａ及び１Ｂに概略的に示す波長依存ビーム分割光学系１６０又は偏光依存ビーム分割光学系１８０を適切に変更することにより達成できる。その結果、今度は不整合ビーム１１１、１１２が画像面１５０の共通の点に収束するため、１つの具体的なスクリーン距離に対し、２つのビーム１１１、１１２間の前記画像データ遅延が不要になると共に、対応する投影デューティー・ファクターの低下が解消される。
更に、空間的にずらされた光ビーム１１１、１１２によって所定の投影距離にある投影スクリーン上の同一位置に収束入射する伝搬軸が画成されるようにすることで、本発明の空間不整合概念がレーザー走査投影システムに限定されるものではないものと考えられる。実際、本発明の空間不整合技術は射出瞳形成波長依存又は偏光依存ビーム分割光学系を有する如何なる投影システムにも適用可能である。従って、本発明の技術は一次元又は二次元の空間光変調器によって画像が生成されるフレーム・レーザー投影システム、画像を生成するホログラムの作製に空間光変調器を使用するホログラフ・レーザー投影システム、ＬＥＤ投影システム等に適用できる。この場合、図１Ａの実施の形態のビーム分割光学系を前記非走査型プロジェクターの構成において使用される投影光学系の下流においてシステムに統合する必要がある。
例えば、レーザー・ソースが一次元又は二次元の空間光変調器を有する場合、コントローラは（ｉ）第１光ビーム用の第１画像データ部分及び第２光ビーム用の第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画像を生成及び（ｉｉ）第１画像データ部分と第２画像データ部分とを第１及び第２光ビームの平行伝搬軸間の空間距離の関数として相対シフトするようプログラムできる空間変調コントローラを含むことになる。一般に、平行伝搬軸間の距離は少なくとも約３．５ｍｍである。] 図１Ａ
[0018] 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、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
[0019] 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第２走査軸方向における空間不整合の関数となる。
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、光ビームに与えられた第２走査軸方向における空間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。]
[0020] 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。]
[0021] 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。]
[0022] 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。]
[0023] 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。]
[0024] 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。]
[0025] 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
１２０走査型投影光学系
１２２、１２４走査軸
１３０走査コントローラ
１５０、２００ 画像面
１６０、１８０ビーム分割光学系
２２０ 第１走査軸方向
２３０ 第２走査軸方向
２５０ 目の瞳]

权利要求:

請求項1
レーザー・ソース、投影光学系、ビーム分割光学系、及び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つの光ビームであって、波長スペクトル又は偏光が互いに異なることを特徴とする第１及び第２光ビームを生成するよう構成されて成り、前記ビーム分割光学系が前記投影光学系の下流に配され、前記２つの光ビームを空間的にずれた伝搬軸に分割することにより、画像面において、前記２つの光ビームを波長又は偏光に応じて空間不整合するよう構成されて成ることを特徴とするシステム。
請求項2
前記投影光学系が走査型又は非走査型投影光学系から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・ソースが、少なくとも２つの光ビームであって、波長スペクトルが互いに異なることを特徴とする第１及び第２光ビームを生成するよう構成されて成り、前記ビーム分割光学系が前記投影光学系の下流に配され、前記２つの光ビームを空間的にずれた伝搬軸に分割することにより、前記画像面において、前記２つの光ビームを波長に応じて空間不整合す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
前記投影光学系が走査型投影光学系から成ると共に、前記コントローラが走査コントローラから成り、前記走査コントローラが前記走査型投影光学系を駆動して画像のラインが投影面に投影される方向である第１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方向である第２走査軸方向を画成するよう構成されて成り、前記走査コントローラが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構成されて成り、前記レーザー・ソースが、前記第１光ビームの波長スペクトルが視覚的に明確な２つの色を含み、前記第２光ビームの波長スペクトルが視覚的に明確な１つの色を含むよう構成されて成り、前記視覚的に明確な１つの色の前記走査レーザー画像に対する色彩貢献度が前記第１光ビームの視覚的に明確な２つの色のいずれより大きいことを特徴とする請求項３記載のシステム。
請求項5
前記レーザー・ソースが、少なくとも２つの光ビームであって、偏光が互いに異なることを特徴とする第１及び第２光ビームを生成するよう構成されて成り、前記ビーム分割光学系が前記投影光学系の下流に配され、前記２つの光ビームを空間的にずれた伝搬軸に分割することにより、前記画像面において、前記２つの光ビームを偏光に応じて空間不整合す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。