(57)【要約】【課題】十分な輝度および色度域を持ち、かつ投射系統とは別に撮像手段などを設けなくても投射画像の幾何学的歪を補正することが可能な画像表示装置および方法を提供する。【解決手段】本発明に係る画像表示装置１は、レーザービームを発射するレーザー光源２と、レーザービームを走査して被投射面に投射する走査手段５〜６と、被投射面からのレーザービーム反射光の強度を検出する光量検出手段１３と、光量検出手段の検出結果から被投射面の法線方向を算出する方向算出手段１４と、法線方向に応じてレーザービームを変調するタイミング及び強度を変化させる変調手段１６とを備える構成とした。【選択図】図１
2009035041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを走査して被投射面に投影して画像表示を行う画像表示装置において、
レーザービームを発射するレーザー光源と、
前記レーザービームを走査して被投射面に投射する走査手段と、
前記被投射面からの前記レーザービーム反射光の強度を検出する光量検出手段と、
前記光量検出手段の検出結果から前記被投射面の法線方向を算出する方向算出手段と、
前記法線方向に応じて前記レーザービームを変調するタイミング及び強度を変化させる変調手段とを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記方向算出手段は、光の正反射特性およびランバート（Ｌａｍｂｅｒｔ）の余弦則により前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記方向算出手段は、前記光量検出手段で検出された前記レーザービーム反射光の強度の最大値、最小値を用いて前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記光量検出手段は前記レーザービームと同軸の位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記変調手段は前記レーザービームを所定の周波数の時系列信号で変調させ、
前記方向算出手段は、前記所定の周波数の時系列信号と前記光量検出手段から出力される時系列信号とを掛け合わせる乗算手段と、前期乗算手段の出力信号に含まれる前記所定の周波数以上の周波数成分を減衰させるローパスフィルタとを含み併設し、前記ローパスフィルタからの出力信号によって前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記レーザービームが複数の波長のレーザービームを含み、
前記複数の波長のレーザービームを同軸の位置に配置する色合成手段と、
前記被投射面から反射された前記複数の波長のレーザービームを各々の波長ごとに分割する色分割手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記光量検出手段が、前記色分割手段によって分割された複数の波長のレーザービームの各々における光量を検出可能であり、
前記複数の反射光の強度の検出結果に応じて複数の波長のレーザービームの強度比を制御する強度制御手段を備えた請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記レーザー光源が複数の前記レーザービームを発射する複数のレーザー光源であり、
前記光量検出手段が前記複数のレーザービームの前記被投射面における複数の反射光の強度を検出可能であり、
前記方向算出手段は複数の反射光の強度から前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記複数のレーザー光源は前記走査手段の走査中心に対して放射状に配置されている光軸を有することを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記方向算出手段は、前記複数の反射光の検出結果の差分値を算出する差分手段を併設することを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記方向算出手段は、前記複数の反射光の強度の０値、最大値、最小値を用いて前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
レーザービームを走査して被投射面に投影して画像表示を行う画像表示方法において、
レーザ光源から出射したレーザービームを走査して被投射面に投射し、
前記被投射面からの前記レーザービームの反射光の強度を検出し、
前記検出された反射光の強度から前記被投射面の法線方向を算出し、
前記算出した法線方向に応じて前記レーザービームの変調タイミング及び強度を変化させることを特徴とする画像表示方法。
【請求項１３】
光の正反射特性およびランバート（Ｌａｍｂｅｒｔ）の余弦則により前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項１２に記載の画像表示方法。
【請求項１４】
前記検出された反射光の強度の最大値、最小値を用いて前記法線方向を算出することを特徴とする請求項１３に記載の画像表示方法。
【請求項１５】
前記検出された反射光の強度の最大値が局所的なピーク値ではない場合、前記光量検出手段のゲインを上げることを特徴とする請求項１４に記載の画像表示方法。
【請求項１６】
前記反射光が複数の波長のレーザービームを含み、
前記複数の波長のレーザービームの反射光を各々の波長に分割し、
前記各々の波長ごとの反射光の強度に応じて前記複数の波長のレーザービームの強度比を制御することを特徴とする請求項１３に記載の画像表示方法。
【請求項１７】
前記レーザー光源から複数の前記レーザービームを発射し、
前記複数のレーザービームの前記被投射面における複数の反射光を検出し、
前記複数の反射光の強度の差分値を用いて前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項１３に記載の画像表示方法。
【請求項１８】
前記複数の反射光の強度の差分値の０値、最大値、および最小値を用いて前記被投射面の法線方向を算出することを特徴とする請求項１７に記載の画像表示方法。
【請求項１９】
レーザービームを走査して被投射面に投影して画像表示を行う画像表示装置の
コンピュータに、
前記走査手段がレーザービームを走査させて投射する角度に応じて前記光量検出手段が出力した反射光の強度を検出する検出処理と、
前記検出処理で検出された反射光の強度から前記被投射面の法線方向を算出する方向算出処理と、
前記方向算出処理で検出された法線方向に応じて前記変調手段に前記レーザービームの変調タイミング及び強度を変化させる変調処理と
を実行させることを特徴とする方向算出プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービームを走査して被投射面に投射して画像表示を行う投射型画像表示装置に関し、特に投影面の傾斜角度を計測して歪のない画像を表示する投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、投射型画像表示装置（プロジェクタ）が、オフィス用にも家庭用にも普及している。中でも、液晶ライトバルブ等にハロゲンランプや高圧水銀ランプなどのようなインコヒーレント光を照明して、投射レンズでスクリーンに拡大投影する投射型画像表示装置（いわゆる液晶プロジェクタ）が、小型化および低コスト化が急速に進んで普及し、またそれに関する研究開発も盛んである。【０００３】
ただし、従来の投射型画像表示装置では、光源として自然放出によるインコヒーレント光を使用しているため、電力消費が大きく、輝度が不十分であるという問題があった。また、インコヒーレント光源は赤色、緑色、青色の各光源の波長帯域が広いため、色度域の広いディスプレイを実現することが困難であるという問題があった。さらに、液晶ライトバルブ等面状の画像表示素子を用いているため、投射光学系が大きくなり、装置の小型化が困難であった。【０００４】
さらに、投射レンズを用いて液晶ライトバルブ等を結像させる光学系を用いた場合、投射レンズの焦点深度内でのみでしかピントを合わせることができないため、使用者はスクリーン位置に応じてピント調節を行わなければならないという欠点がある。このことは、特に可搬性、携帯性を備えた投射型画像表示装置において、使用する際の利便性を損ねてしまう問題があった。【０００５】
図１０は、特許文献１および２に係る画像投射装置の動作を示す概念図である。特許文献１および２においては、以上のような問題を解決するものとして、レーザービームなどのコヒーレント光源を用いて、直進するレーザービームを走査して画像を投射する画像投射装置が開示されている。【０００６】
より具体的には、特許文献１に係る画像投射装置は、図１０（ａ）に示すとおり、赤色、緑色、青色の各色の光源１１１、１１２、１１３から出射するレーザービームを色合成素子１１４で合成した後、コリメータレンズ１１５を使ってレーザービームを平行化し、水平方向及び垂直方向の光走査を行う走査する光走査素子１１６及び１１７により２次元走査することで被投射面１１８にカラー画像を表示する。また、特許文献２に係る画像投射装置は、図１０（ｂ）に示すような可搬性、携帯性を備えた本体に光源１１６と光走査素子１１７を内蔵した小型な画像投射装置であり、特許文献１の画像投射装置とほぼ同等の動作を行うことができる。【０００７】
一方、特許文献３においては、画像投射装置とは独立した撮像部を備えることにより、画像投射装置の走査角の中心軸と被投射面の法線方向が異なる場合に生じる投射画像の幾何学的歪を自動補正する画像投射装置が開示されている。特許文献４においては、被投射面に投射された画面の四隅を検出する手段を備えることにより、投射画像の幾何学的歪を自動補正する画像投射装置が開示されている。特許文献３および４について、より詳しくは後述する。【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１８００号公報
【特許文献２】米国特許６９２１１７０号公報
【特許文献３】特開平０７−１４３５０６号公報
【特許文献４】特開２００７−１４０３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１１は、特許文献１〜４に係る画像投射装置の問題点を示す概念図である。特許文献１および２のように、レーザービームなどのコヒーレント光源を利用することにより、上述の輝度、色度域、およびピント調節の問題は解決できる。しかし、これらの画像投射装置では図１１（ａ）に示すように、画像表示装置１３０の走査角の中心軸１２１と被投射面１１８の法線方向１２２が異なる方向に投射した場合、投射画像１２０が幾何学的に歪むという問題がある。【００１０】
一方、特許文献３および４においては、画像投射装置の走査角の中心軸１２１と被投射面１１８の法線方向１２２が異なる場合に生じる投射画像１２０の幾何学的歪を補正する画像投射装置が開示されている。たとえば特許文献３に係る画像投射装置では、図１１（ｂ）に示すように、スクリーン１２３上の表示された調整用テスト信号１２４を撮像部１２５で撮像し、撮像部１２５の撮像信号から調整用テスト信号１２４の各位置を位置検出部１２６で検出して、誤差算出部１２７、補正信号発生部１２８により幾何学歪を補正する構成となっている。【００１１】
しかしながら特許文献３の構成では、画像投射装置とは独立した撮像部１２５が必要であるので、装置の小型化が困難である。また、撮像部１２５にＣＣＤカメラを用いているので、エリアセンサや２次元動画像処理回路などの回路も追加する必要があり、低コスト化が困難である。特許文献４に係る画像投射装置も同様に、投射された画面の四隅を検出する手段を画像投射装置とは別系統で備えるので、特許文献３と同様の問題がある。特許文献１〜２に係る画像投射装置に、特許文献３〜４に示す投射画像の幾何学的歪の補正に係る技術を適用したとしても、これらの問題は解決できない。【００１２】
本発明の目的は、十分な輝度および色度域を持ち、スクリーン位置に応じてピント調節を行う必要もなく、かつ投射系統とは別に撮像手段などを設けなくても投射画像の幾何学的歪を補正することが可能な画像表示装置、画像表示方法、および方向算出プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係る画像表示装置は、レーザービームを発射するレーザー光源と、レーザービームを走査して被投射面に投射する走査手段と、被投射面からのレーザービーム反射光の強度を検出する光量検出手段と、光量検出手段の検出結果から被投射面の法線方向を算出する方向算出手段と、法線方向に応じてレーザービームを変調するタイミング及び強度を変化させる変調手段とを備えたことを特徴とする。【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係る画像表示方法は、レーザー光源と、走査手段と、光量検出手段と、方向算出手段と、変調手段とを有する画像表示装置において、レーザー光源がレーザービームを発射する発射工程と、走査手段がレーザービームを走査して被投射面に投射する投射工程と、光量検出手段が被投射面からのレーザービームの反射光の強度を検出する光量検出工程と、方向算出手段が反射光の強度から被投射面の法線方向を算出する方向算出工程と、変調手段によって法線方向に応じて変化させた変調タイミング及び強度によってレーザービームを変調する変調工程とを有することを特徴とする。【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に係る方向算出プログラムは、レーザービームを発射するレーザー光源と、レーザービームを走査して被投射面に投射する走査手段と、被投射面からのレーザービームの反射光の強度を出力する光量検出手段と、方向算出手段と、変調手段とを有する画像表示装置において、方向算出手段が備えているコンピュータに、走査手段がレーザービームを走査させて投射する角度に応じて光量検出手段が出力した反射光の強度を検出する検出処理と、検出処理で検出された反射光の強度から被投射面の法線方向を算出する方向算出処理と、方向算出処理で検出された法線方向に応じて変調手段にレーザービームの変調タイミング及び強度を変化させる変調処理とを実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、上記したように被投射面からのレーザービーム反射光の強度を検出し、その検出結果から被投射面の法線方向を算出するように構成したので、投射系統とは別に撮像手段などを設けることなく、投射画像の幾何学的歪を補正することができる。これによって、十分な輝度および色度域を持ち、スクリーン位置に応じてピント調節を行う必要もなく、投射画像の幾何学的歪もなく、かつ小型化・低コスト化が可能な従来にない優れた画像表示装置、画像表示方法、および方向算出プログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る画像表示装置１を示す概念図である。画像表示装置１は、レーザービームを出射するレーザー光源２、偏光ビームスプリッタ３、１／４波長板４、水平走査手段５、垂直走査手段６、集光レンズ１２、フォトダイオード１３、被投射面反射分布・傾き検出部１４、投射画像変換部１５、発光タイミング制御部１６などによって構成される。【００１８】
レーザー光源２はＰ偏光１０（電界の振動方向が紙面に水平な方向）のレーザービームを出射し、そのＰ偏光１０は、偏光ビームスプリッタ３を通過後、１／４波長板４で右回り円偏光８（若しくは左回り円偏光９）に変換された後、水平走査手段５および垂直走査手段６を通過して、被投射面７に投射される。被投射面７で反射する光で偏光を保存する成分は左回り円偏光９（若しくは右回り円偏光８）として水平走査手段５および垂直走査手段６に再び戻り、レーザー光源２の出射ビームと同軸の経路を通る。【００１９】
垂直走査手段６、水平走査手段５を通過した戻り光（バックスキャッタ光）は、再び１／４波長板４を通過した後にＳ偏光１１（電界の振動方向が紙面に垂直な方向）に変換され、偏光ビームスプリッタ３で反射し、集光レンズ１２によってフォトダイオード１３に集光される。集光された光はフォトダイオード１３により光量に応じて光電変換され、被投射面反射分布・傾き検出部１４により、被投射面７の法線方向を検出し、投射画像変換部１５は被投射面反射分布・傾き検出部１４で検出された法線方向から幾何学的歪補正量を算出する。【００２０】
発光タイミング制御部１６は、投射画像変換部１５で算出された幾何学的歪補正量に応じて発光タイミングを制御して、幾何学的歪が補正された画像を被投射面７に投影する。また、発光タイミング制御部１６は、法線方向検出時に被投射面反射分布・傾き検出部１４が発生する変調信号によってレーザー光源２を変調発光させる信号を生成する。【００２１】
図２は、図１内に開示した被投射面反射分布・傾き検出部１４が被投射面７の法線方向を検出する方法について説明する概念図である。図２（ａ）は、被投射面７上における反射光の角度を示す。入射光２１と被投射面７の法線となす角θと等しい角度θで反射する正反射光（完全鏡面反射光）２２、被投射面７の表面で拡散反射する拡散反射光２３が存在する。正反射光２２の周囲には完全鏡面反射光でない成分２４が存在する。【００２２】
入射光２１の入射方向に戻るバックスキャッタ光２５は、拡散反射光２３として一般にランバート（Ｌａｍｂｅｒｔ）の余弦則（ｃｏｓ則）に従うため、入射光２１の強度をＩとし、バックスキャッタ光２５の強度をＩｂとすると数１が成立する。【００２３】
【数１】
2009035041.tif 000003
【００２４】
図２（ｂ）は、被投射面７と走査中心軸２６と走査中心軸２６に垂直な面２７との位置関係を示す。被投射面７が走査中心軸２６と垂直な面２７に対して角度γだけ傾いている場合、レーザーの走査角度±φとすると、入射光２１と被投射面７の法線となす角θとφ、γとの間には数２の関係が成立する。【００２５】
【数２】
2009035041.tif 000004
【００２６】
図２（ｃ）は、レーザーの走査角度φが角度−γと等しい状態を示す。レーザーの走査角度φが角度−γと等しい場合、即ち走査レーザービームと被投射面７の法線が一致する場合、数２よりθ＝０となり、バックスキャッタ光２５の強度Ｉは、正反射光２８、拡散反射光２９とも最大となる。図２（ｄ）は、垂直・水平の２次元方向の走査に対するバックスキャッタ光分布３１を示す。この図で示すように、バックスキャッタ光分布３１を計測してバックスキャッタ光２５の強度が最大となる角度を求めて、この角度を被投射面７の法線方向３０とすることができる。【００２７】
なお、被投射面７における反射光として検出される光には周囲の環境光も含まれるが、一般に環境光はランダム偏光であるため、偏光ビームスプリッタ３により、環境光の１／２が減衰されてフォトダイオード１３で受光される。一方、正反射光２２は偏光状態が保存されるため、偏光ビームスプリッタ３においてほぼ全部が通過してフォトダイオード１３で受光される。そのため、環境光に対する正反射光２２の信号強度は２倍となり、環境光による測定精度に対する影響は軽減される。なお、本実施の形態には環境光による影響を除去する方法もあるが、それについては後述する。【００２８】
図３は、数２における角度θが０にならない場合、即ち垂直走査手段６および水平走査手段５によってレーザービームが走査される範囲（以後走査範囲という）の中に被投射面７の法線方向３０が一致する角度が存在しない場合に、被投射面反射分布・傾き検出部１４が被投射面７の法線方向３０を検出する方法を示す概念図である。この場合、入射方向に戻るバックスキャッタ光２５は拡散反射光２３及び環境光となる。拡散反射により入射方向に戻るバックスキャッタ光２５の強度については、前述の数１が成立する。【００２９】
図３（ａ）は、被投射面７と走査中心軸２６と垂直な面２７との位置関係を示す。ここで、被投射面に垂直入射した場合の拡散反射光２３の強度をＩ０、走査角の半角をα、走査角−α、＋αそれぞれにおける拡散反射光２３の強度をＩ１、Ｉ２とする。図３（ｂ）は、走査角度φに対するＩ０、Ｉ１およびＩ２の相互の関係を示す。この図３（ｂ）に示すように、強度Ｉ１およびＩ２はそれぞれ、走査期間中にフォトダイオード１３で検出された値の最大値、最小値に相当する。ここで、走査角−αおよび＋αと、Ｉ１およびＩ２の間には、数３〜７の関係が成り立つ。これらの関係により、被投射面７と走査中心軸２６と垂直な面２７に対する角度γを求めることができる。【００３０】
【数３】
2009035041.tif 000005
【００３１】
【数４】
2009035041.tif 000006
【００３２】
【数５】
2009035041.tif 000007
【００３３】
【数６】
2009035041.tif 000008
【００３４】
【数７】
2009035041.tif 000009
【００３５】
以上の方法により、被投射面反射分布・傾き検出部１４は被投射面７の傾きを検出することができる。なお、強度Ｉ１およびＩ２を示すフォトダイオード１３の検出信号の最大値（ピーク値）および最小値の検出には、公知の最大値／最小値ホールド回路を用いることができる。また、数６および７の演算には、公知のデジタル演算回路、もしくはオペアンプ等によるアナログ演算回路を用いることができる。【００３６】
以上で示したように、本実施の形態では、画像表示を行う光学系と被投射面７の傾斜角度を計測する手段に、同一の光学系を用いている。従って、被投射面７の傾きを検出するために独立した撮像部を必要としないので、小型・軽量化が可能である。また本実施の形態では、公知の最大値／最小値ホールド回路などのような、走査期間中のフォトダイオード１３の検出信号の最大値および最小値を検出する手段があれば、被投射面７の傾きの検出が可能である。そのため、ＣＣＤ等のエリアセンサや２次元動画像処理回路等を必要としないので、低コスト化が可能である。【００３７】
図４は、図１内に開示したフォトダイオード１３で、環境光による影響を除去して正確に強度Ｉ１およびＩ２を検出する第１の方法を示す概念図である。図４（ａ）は、そのための構成について示す。発光タイミング制御部１６は、レーザー光源２の強度を角周波数ω（周波数ｆ：ω＝２πｆ）の正弦波で変調する。【００３８】
被投射面反射分布・傾き検出部１４は、掛け算器４１およびローパスフィルタ４２を備えている。掛け算器４１は、レーザー光源２の変調電気信号と、フォトダイオード１３で検出された電気信号とを乗算する。ローパスフィルタ４２は、掛け算器４１の出力信号における角周波数ωとその２倍の角周波数２ωの成分を減衰させ、水平走査手段５の走査周波数に相当する周波数成分を通過させる。【００３９】
図４（ｂ）はフォトダイオード１３における出力信号、図４（ｃ）はこの出力信号を掛け算器４１およびローパスフィルタ４２に通した後の信号についてそれぞれ示す。拡散反射光信号をＡ（ｔ）、環境光信号をＢ（ｔ）とすると、フォトダイオード１３における検出信号Ｉ（ｔ）は、数８に示すように、角周波数ωで変調された拡散反射光信号Ａ（ｔ）と環境光信号をＢ（ｔ）の和で表せる。【００４０】
掛け算器４１において、Ｉ（ｔ）とレーザー光源２の変調電気信号であるｓｉｎ（ωｔ）を乗算した値Ｌ（ｔ）は数９で表される。Ｌ（ｔ）の信号をローパスフィルタ４２に通し、角周波数ω及びその２倍の角周波数２ω成分を除去すると、数９はＬ（ｔ）＝Ａ（ｔ）／２となり、その波形は図４（ｃ）に示すようになる。これによって、環境光信号Ｂ（ｔ）の影響を除去して、正確に強度Ｉ１およびＩ２を検出することが可能となる。【００４１】
【数８】
2009035041.tif 000010
【００４２】
【数９】
2009035041.tif 000011
【００４３】
図５は、環境光による影響を除去して正確に強度Ｉ１およびＩ２を検出する第２の方法を示す概念図である。図５（ａ）は、そのための構成について示す。ここでは、赤色（波長６５０ｎｍ）、緑色（波長５３２ｎｍ）、青色（波長４７０ｎｍ）といった複数のレーザー光源２を、誘電体多層膜ミラー５１および５２で合成して、水平走査手段５および垂直走査手段６を通過して、被投射面７に投射している。また、被投射面７からの反射光は、やはり誘電体多層膜ミラー５１および５２によって色ごとに分光され、それぞれの色に対応したフォトダイオード１３に戻るようになっている。【００４４】
図５（ｂ）は、誘電体多層膜ミラー５１および５２のそれぞれの分光特性を示す。誘電体多層膜ミラー５１および５２は、赤色（波長６５０ｎｍ）、青色（波長４７０ｎｍ）を±３０ｎｍの狭帯域で透過・反射する特性を有し、レーザービームによる被投射面７からの反射光のみを検出することができる。この特性によって、環境光による影響を除去することが可能となる。また、各色の反射光を検出することによって、被投射面７の色を検出し、これによって投射される画面の色のバランスを調整することもできる。【００４５】
図６は、図１内に開示した投射画像変換部１５および発光タイミング制御部１６の動作を説明する図である。図６（ａ）は、歪んでいる補正前画像６１と、補正された後の補正画像６２とを示す。被投射面７の法線方向３０が画像表示装置１の走査中心軸２６と異なる場合、長方形の画像を投射する画像表示装置１の走査中心軸２６方向から観察者６５が観察した投射画像は、補正前画像６１として示す点線のように歪んで観察される。【００４６】
投射画像変換部１５は、法線方向３０と走査中心軸２６の成す角度を用いてキーストン歪補正を行い、本来表示しようとしている長方形である補正画像６２が得られるように、レーザー発光のタイミングのルックアップテーブル６６を作成する。なお、キーストン歪補正自体は既に公知の技術であるので、詳しい説明は省略する。【００４７】
図６（ｂ）は、発光タイミングの制御について表す。投射画像変換部１５による補正が行われる際、発光タイミング制御部１６は、ルックアップテーブル６６に応じて走査中心軸２６方向から観察者６５が観察して画素ピッチ６３が等間隔になるような画素サンプル点６４でレーザーを発光させ、観察者６５に幾何学的歪のない画像を呈示する。投射画像変換部１５は、簡易なデジタル演算回路とルックアップテーブル６６を記憶するメモリによって構成することができる。【００４８】
図７は、図１内に開示した被投射面反射分布・傾き検出部１４、投射画像変換部１５、および発光タイミング制御部１６で行われる処理について示すフローチャートである。処理動作はキャリブレーション期間と表示期間とに別れる。被投射面反射分布・傾き検出部１４が処理を開始すると（Ｓ７１）、水平・垂直走査に応じて被投射面７各点からのバックスキャッタ光２５の強度値を検出する（Ｓ７２）。走査範囲内で検出した強度値に特異的なピークがあるか否かを判断し（Ｓ７３）、特異的なピークがもしあれば、それは正反射光２２によるピークと判断できるので、この方向を法線方向３０とする（Ｓ７４）。【００４９】
Ｓ７３で特異的なピークがない場合、フォトダイオード１３のゲインを上げ（Ｓ７５）、反射光の最大値・最小値から前述の数３〜７に従って法線方向３０を検出する（Ｓ７６）。なお、ステップＳ７５でフォトダイオード１３のゲインを上げるのは、一般に正反射光強度より拡散反射光強度のほうが小さいので、強度値の検出により正確を期するという理由である。以上で被投射面反射分布・傾き検出部１４での処理は終了し、以後の処理は投射画像変換部１５で行われる。【００５０】
投射画像変換部１５は、検出された法線方向３０に基づき被投射面幾何歪を算出し（Ｓ７７）、ルックアップテーブル６６に発光タイミングおよび発光強度を設定する（Ｓ７８）。以上ここまででキャリブレーション期間は終了する。以後は表示期間に入り、Ｓ７８でルックアップテーブル６６に設定された発光タイミングおよび発光強度によって、発光タイミング制御部１６がレーザー光源２を制御して、画像の表示を行う（Ｓ７９）。【００５１】
なお、図７のフローチャートで説明したＳ７１〜７６に係る動作内容は、被投射面反射分布・傾き検出部１４が行うものである。なお、前記動作内容をコンピュータに実行させるソフトウエアとしてのプログラムとして構築してもよいものである。この場合、プログラムは、記録媒体に記録されて商取引の対象となる。また、被投射面反射分布・傾き検出部１４は、簡易なデジタル演算回路やアナログ演算回路などによって構成される。【００５２】
以上で開示された本実施の形態に基づいて、発明者は以下の内容で実証実験を行った。レーザー光源２は、赤色、緑色および青色のレーザー光源を誘電体多層膜ミラー５１および５２によって合成して構成するものである。【００５３】
赤色レーザー光源は６５０ｎｍの半導体レーザーである。緑色レーザー光源は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を赤外半導体レーザーで励起して得られた１０６４ｎｍの赤外光の第２高調波である５３２ｎｍで発振する半導体レーザー励起固体レーザーである。青色レーザー光源は４７０ｎｍの半導体レーザーである。各色のレーザービーム径はビーム強度半値全幅で４２０μｍの平行ビームである。その際、赤色および青色レーザー光源では、半導体レーザーの光出射端直後にコリメータレンズを取り付けてビーム径４２０μｍの平行ビームとした。【００５４】
各々のレーザー光源２に対して、発光タイミング制御部１６によって変調を行った。レーザー光源２の強度変調は、赤色、青色に関しては、レーザー光源２の電源電流値を制御して行い、緑色に関してはレーザー光を音響光学素子に通過させて行った。キャリブレーション期間における変調周波数は５ＭＨｚの正弦波である。【００５５】
水平走査手段５は、共振型マイクロメカニカル走査素子を往復走査で使用し、直径６００μｍの円形ミラーを振れ角±２０度、周波数３１ＫＨｚで駆動させた。垂直走査手段６には直径１２００μｍの円形ガルバノミラーを用い、振れ角±１５度、６０Ｈｚのノコギリ波駆動を行った。画像精細度は水平１２８０画素、垂直１０２４画素である。また被投射面７に投射される画面サイズは、投射距離１００ｃｍにおいて水平１６０ｃｍ、垂直１２０ｃｍとした。【００５６】
フォトダイオード１３は２０ＭＨｚの応答性能を有しているものを使用した。ローパスフィルタ４２のカットオフ周波数は３００ＫＨｚである。これにより、ローパスフィルタ４２は、レーザー光源２の変調周波数５ＭＨｚ、およびその２倍周波数の１０ＭＨｚを減衰させることができる。【００５７】
発光タイミング制御部１６は、水平走査手段５および垂直走査手段６と同期して、画素クロック（１２．７ｎｓ）の１／６以下の２ｎｓ単位でレーザー光源２の発光タイミングおよび強度を制御し、ルックアップテーブル６６のタイミングと画素値に応じた輝度の光を発するようにした。【００５８】
以上の条件において発明者は、被投射面７の法線３０に対し走査中心軸２６を、（水平走査手段５および垂直走査手段６による走査の範囲に含まれる）水平方向＋１０度、垂直方向＋５度に傾斜させた場合、バックスキャッタ光２５のピークを水平走査角−１０方向及び垂直走査角−５度方向に検出することができた。この方向を法線として画像歪補正を行い、被投射面７上に画像歪の無い画像を表示することができたことを確認した。【００５９】
また、被投射面７の法線３０に対し走査中心軸２６を、（水平走査手段５および垂直走査手段６による走査の範囲に含まれない）水平方向＋３０度、垂直方向＋３０度に傾斜させた場合、バックスキャッタ光２５のピークは検出できなかった。しかし、バックスキャッタ光２５の最大値Ｉ１および最小値Ｉ２から法線３０の方向を算出することができた。この法線３０の方向に基づいて画像歪補正を行い、被投射面７上に画像歪の無い画像を表示することができたことを確認した。【００６０】
さらに、黄色がかった被投射面７においては、青色のバックスキャッタ光２５が他の色のより小さな値で検出されるため、青色のレーザー光源２の強度を他の色より強めに調整して、白色の被投射面７に表示した場合と同等な画像を得ることができたことを確認した。この調整は、各色におけるバックスキャッタ光２５の強度の差から、人間の手を介さずに行えることを確認した。【００６１】
なお、レーザー光源２のコリメータレンズ、およびフォトダイオード１３における集光レンズは、同様な光学作用のあるフレネルゾーンプレートやホログラム等回折素子を用いてもよい。また、レーザー光源２の強度変調は、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、各種光変調器を用いてもよい。さらにレーザー光源２の強度変調は、水平走査手段５および垂直走査手段６が１画素を走査する時間内で、パルス幅変調によって行ってもよい。【００６２】
水平走査手段５および垂直走査手段６として、音響光学素子、電気光学結晶等を用いてもよく、またフォトニック結晶を用いたプリズム等で触れ角を増大させる光学系を備えてもよい。水平走査手段５および垂直走査手段６のビーム偏向部（ミラー等）の大きさは、使用するビーム径より大きければ任意に決定してよい。画像精細度および画面サイズも任意に決定してよい。【００６３】
レーザー光源２の発するレーザービームのビームウエスト位置は、非投影面における画像が解像できる条件であれば、ビーム光路中のどこに配置してもよい。またレーザー光源２は、可視光領域であれば３波長以上としてもよい。また環境光等の影響が少なければ、１／４波長板４を取り付けなくてもよく、偏光ビームスプリッタ３をハーフミラーとしてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、上記以外にも様々な変形が当業者によって可能である。【００６４】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る画像表示装置８０を示す概念図である。画像表示装置８０は、１個のレーザー光源では得られない画面の明るさを得るため、複数のレーザー光源を組み合わせたレーザーアレイ８５を使用する。画像表示装置８０は、前述の第１の実施形態に係る画像表示装置１と共通する構成を多く備えているので、ここでは画像表示装置１と共通する構成については参照番号も同一として説明を省略し、相違点のみを説明する。【００６５】
画像表示装置８０は、複数のレーザー光源８２ａ、８２ｂ…を、水平走査手段５の走査中心軸２６を中心に光軸が放射状になるように配列しており（以後これをレーザーアレイ８５という）、複数配列されたレーザービームを画像表示装置１と同一の光学系で被投射面７に投射する。そして、複数のレーザービームに対するバックスキャッタ光２５の中の２つと同軸に配置されたフォトダイオード８３ａおよび８３ｂを有し、フォトダイオード８３ａおよび８２ｂによる検出値の差分を算出する差分器８７を備えている。差分器８７の出力は、被投射面反射分布・傾き検出部８８に入力される。【００６６】
レーザーアレイ８５で、レーザー光源はβ／（ｎ−１）度間隔でｎ個配列されている。ｎは２以上の整数である。フォトダイオード８３ａおよび８３ｂは、レーザーアレイ８５の両端のレーザー光源８２ａおよび８２ｂとそれぞれ対になっている。レーザーアレイ８５の各レーザー光源８２ａ、８２ｂ…は、被投射面７上の画像表示範囲８６において同一画像を表示できるように、隣接するレーザー光源はβ／（ｎ−１）度の水平走査時間に対応する時間だけ、映像信号の発光タイミングをシフトさせている。【００６７】
図９は図８内に開示した被投射面反射分布・傾き検出部８８が被投射面７の法線方向３０を検出する方法について説明する概念図である。図９（ａ）は、レーザーの走査角度φに対するバックスキャッタ光２５の強度を示す。第１の実施形態で述べたように、数２における角度θが０となる（φ＝−γとなる）条件、即ち走査レーザービームと被投射面７の法線方向３０が一致する角度が存在する場合、図９（ａ）に示すように、フォトダイオード８３ａおよび８３ｂで検出される値はそれぞれ、正反射光９１および９３、もしくは拡散反射光９２および９４となる。【００６８】
図９（ｂ）は、フォトダイオード８３ａおよび８３ｂで検出される値の差分値（つまり差分器８７の出力値）Ｉｄを示す。差分値Ｉｄは、被投射面７に垂直入射した場合の拡散反射光９２、９４の強度をＩ０とすると数１０のとおりとなる。Ｉｄ＝０のとき角度θ＝（φ＋γ）＝０となり、φ＝−γの方向が被投射面７の法線方向となる。【００６９】
【数１０】
2009035041.tif 000012
【００７０】
図９（ｃ）は、数２における角度θが０にならない場合（走査レーザービームと被投射面７の法線方向が一致する角度が走査範囲内に存在しない場合）のフォトダイオード８３ａおよび８３ｂの検出値を示す。フォトダイオード８３ａおよび８３ｂの検出値は、拡散反射光９２、９４の強度である。図９（ｄ）は、この場合のフォトダイオード８３ａおよび８３ｂの検出値の差分Ｉｄを示す。ここで、走査角−α、＋αそれぞれにおける差分値ＩｄをＩ１、Ｉ２とすると、Ｉ１、Ｉ２はそれぞれ走査期間中にフォトダイオード８３ａおよび８３ｂで検出された差分値Ｉｄの最大値、最小値である。走査角−α、＋αと、差分値Ｉｄの最大値Ｉ１、最小値Ｉ２の間には数１１〜１５の関係が成り立つ。これらの関係から、被投射面７と走査中心軸と垂直な面に対する角度γを求めることができる。【００７１】
【数１１】
2009035041.tif 000013
【００７２】
【数１２】
2009035041.tif 000014
【００７３】
【数１３】
2009035041.tif 000015
【００７４】
【数１４】
2009035041.tif 000016
【００７５】
【数１５】
2009035041.tif 000017
【００７６】
なお、画像表示装置８０の上記で示す以外の構成および動作は、第１の実施の形態に係る画像表示装置１と同一であるので、説明を省略する。【００７７】
以上で開示された本実施の形態に基づいて、発明者は以下の内容で実証実験を行った。レーザーアレイ８５は、１０個のレーザー光源で構成され、レーザー間隔を１度としてβ＝９度である。差分値Ｉｄの０値の検出にはコンパレータ回路、最大値および最小値検出には最大値／最小値ホールド回路を用いた。数１４〜１５の演算には簡易なデジタル演算回路を用いた。【００７８】
レーザーアレイ８５を構成する各々のレーザー光源は、赤色、緑色および青色のレーザー光源を、第１の実施の形態と同様にして合成した。赤色レーザー光源には６５０ｎｍの半導体レーザー、緑色レーザー光源には、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を赤外半導体レーザーで励起して得られた１０６４ｎｍの赤外光の第２高調波である５３２ｎｍで発振する半導体レーザー励起固体レーザー、青色レーザー光源には４７０ｎｍの半導体レーザーを用いた。各色のレーザービーム径はビーム強度半値全幅で４２０μｍの平行ビームとした。各々のレーザー光に対して、発光タイミング制御部１６によって変調を行った。キャリブレーション期間における変調周波数は５ＭＨｚの正弦波である。【００７９】
水平走査手段５は、共振型マイクロメカニカル走査素子を往復走査で使用し、直径６００μｍの円形ミラーを振れ角±２０度、周波数３１ＫＨｚで駆動させた。垂直走査手段６には直径１２００μｍの円形ガルバノミラーを用い、振れ角±１５度、６０Ｈｚのノコギリ波駆動を行った。画像精細度は水平１２８０画素、垂直１０２４画素、画面サイズは投射距離１００ｃｍにおいて水平１６０ｃｍ、垂直１２０ｃｍとした。【００８０】
フォトダイオード８３ａおよび８３ｂは２０ＭＨｚの応答性能を有しているものを使用した。ローパスフィルタ４２のカットオフ周波数は３００ＫＨｚである。これにより、ローパスフィルタ４２は、レーザーアレイ８５を変調周波数５ＭＨｚ、およびその２倍周波数の１０ＭＨｚを減衰させることができる。【００８１】
発光タイミング制御部１６は、水平走査手段５および垂直走査手段６と同期して、画素クロック（１２．７ｎｓ）の１／６以下の２ｎｓ単位でレーザー光源２の発光タイミングおよび強度を制御し、ルックアップテーブル６６のタイミングと画素値に応じた輝度の光を発するようにした。以上で記述のない条件については、第１の実施形態と同一である。【００８２】
以上の条件において発明者は、被投射面７の法線に対し走査中心軸２６を（水平走査手段５および垂直走査手段６による走査の範囲に含まれる）水平方向＋１０度、垂直方向＋５度に傾斜させた場合、フォトダイオード８３ａおよび８３ｂの検出値の差分が０となる方向は水平走査角−１０度方向及び垂直走査角−５度方向に検出することができた。この方向を法線として画像歪補正を行い、被投射面７上に画像歪の無い画像を表示することができたことを確認した。【００８３】
また、被投射面７の法線３０に対し走査中心軸２６を、（水平走査手段５および垂直走査手段６による走査の範囲に含まない）水平方向＋３０度、垂直方向＋３０度に傾斜させた場合、バックスキャッタ光２５のピークは検出できなかった。しかし、バックスキャッタ光２５の最大値Ｉ１および最小値Ｉ２から法線３０の方向を検出することができた。この法線３０の方向に基づいて画像歪補正を行い、被投射面７上に画像歪の無い画像を表示することができたことを確認した。【００８４】
さらに、黄色がかった被投射面７においては、青色のバックスキャッタ光２５が他の色のより小さな値で検出されるため、青色のレーザー光源の強度を他の色より強めに調整して、白色の被投射面７に表示した場合と同等な画像を得ることができたことを確認した。この調整は、各色におけるバックスキャッタ光２５の強度の差から、人間の手を介さずに行えることを確認した。【００８５】
また、１０個のレーザー光源を有するレーザーアレイ８５を使うことによって、被投射面７に投射される画面の明るさは第１の実施の形態に比べ１０倍になり、スペックルコントラストは第１の実施の形態の０．２５から０．０５まで低減させることができたことを確認した。【００８６】
第１の実施の形態で述べたものと同様に、第２の実施の形態においても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば様々な変形が当業者によって可能である。【００８７】
これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることは言うまでもないことである。【００８８】
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００８９】
この出願は２００７年９月１３日に出願された日本出願特願２００７−２３８１１１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。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
投射型画像表示装置において使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る画像表示装置を示す概念図である。
【図２】図１内に開示した被投射面反射分布・傾き検出部が被投射面の法線方向を検出する方法について説明する概念図である。
【図３】数２における角度θが０にならない場合に、図１内に開示した被投射面反射分布・傾き検出部が被投射面の法線方向を検出する方法を示す概念図である。
【図４】図１内に開示したフォトダイオードで、環境光による影響を除去して正確に受光強度を検出する第１の方法を示す概念図である。
【図５】図１内に開示したフォトダイオードで、環境光による影響を除去して正確に受光強度を検出する第２の方法を示す概念図である。
【図６】図１内に開示した投射画像変換部および発光タイミング制御部の動作を説明する図である。
【図７】図１内に開示した被投射面反射分布・傾き検出部、投射画像変換部、および発光タイミング制御部で行われる処理について示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る画像表示装置を示す概念図である。
【図９】図８内に開示した被投射面反射分布・傾き検出部が被投射面の法線方向を検出する方法について説明する概念図である。
【図１０】特許文献１および２に係る画像投射装置の動作を示す概念図である。
【図１１】特許文献１〜４に係る画像投射装置の問題点を示す概念図である。
【符号の説明】
【００９２】
１、８０  画像表示装置
２、８２ａ、８２ｂ  レーザー光源
５  水平走査手段
６  垂直走査手段
７  被投射面
１３、８３ａ、８３ｂ  フォトダイオード（光量検出手段）
１４、８８  被投射面反射分布・傾き検出部（方向算出手段）
１５  投射画像変換部
１６  発光タイミング制御部（変調手段、強度制御手段）
２１  入射光
２２  正反射光
２３  拡散反射光
２５  バックスキャッタ光
２６  走査中心軸
２７  垂直な面
３０  法線方向
３１  バックスキャッタ光分布
４１  掛け算器（乗算手段）
４２  ローパスフィルタ
５１、５２  誘電体多層膜ミラー（色合成手段、色分割手段）
６６  ルックアップテーブル
８５  レーザーアレイ（複数のレーザー光源）
８７  差分器（差分手段）
【図１】
2009035041.tif 000018
【図２】
2009035041.tif 000019
【図３】
2009035041.tif 000020
【図４】
2009035041.tif 000021
【図５】
2009035041.tif 000022
【図６】
2009035041.tif 000023
【図７】
2009035041.tif 000024
【図８】
2009035041.tif 000025
【図９】
2009035041.tif 000026
【図１０】
2009035041.tif 000027
【図１１】
2009035041.tif 000028
【国際調査報告】
2009035041.tif 000029
2009035041.tif 000030
2009035041.tif 000031
2009035041.tif 000032