(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１偏向方向と第２偏向方向とに互いに独立して振動し、入射される電磁波の向きを変えて反射する偏向器を有し、前記偏向器が偏向させた電磁波を走査させることにより空間を２次元走査する走査方法において、
前記第２偏向方向に１往復する時間において、前記第１偏向方向の位相進み角度βと、周角とがなす比が略無理数となり、前記位相進み角度βは概略黄金角となるような第１および第２振動周波数を用いることを特徴とする走査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の走査方法を用いたことを特徴とする映像投影装置。
【請求項３】
請求項１に記載の走査方法を用いたことを特徴とする画像取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点を２方向へ走査して平面を成すことで、空間へ情報を伝達あるいは空間の情報を取得する画像取得装置に関し、例えば映像を表示するテレビジョン・プロジェクタに関し、特に輝点を走査することにより映像を投影する映像投影装置の走査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、走査方法としては、図１１に示す方法が知られている。
偏向反射器１０１は、入射光１０３を反射し、反射角度を変えることで入射光１０３の反射方向を変える。反射光１０４は、スクリーン１０２に投影され輝点となる。偏向反射器１０１は、概略直交する２軸の回転軸があり、回転軸により反射器の角度を変える。反射器の角度が変わることで反射光１０４の方向が変わりスクリーン１０２上での輝点の位置が変わる。
【０００３】
異なる角度の状態の例を図１２に示す。１軸の偏向器が互いに略直行する偏向方向を有するように２つの偏向器を配置している例を図１３に示す。
この輝点を映像表示に利用するため、図１４に示すような軌跡の走査線を描くように偏向反射器１０１を駆動する。図１４に示す実線部分が実際に映像表示に使う部分である。破線部分は映像表示に使わない帰線を表す。図中左上から右方向へ走査し、右端に至ると左端の１ライン下へ戻す。この動作を図中左上から右下に到るまで繰り返す。右下に至ると左上へ戻す。
一般にテレビジョンでは、１秒間に６０回の画面描画が必要である。そして、映像の垂直方向の解像度が例えば４８０本とした場合、水平方向の走査周波数は、４８０＊６０＝２８，８００となり約３０ｋＨｚ程度必要である。また、映像を走査していることが視覚的に気にならないようにするには、偏向反射器１０１を高速に駆動する必要がある。
【０００４】
このような高い周波数の振動を実現するために、半導体プロセスで小型の反射器を形成する技術が採用されている。反射器を小さく薄く軽くすることで、反射器の構成部の固有振動周波数を高く設計できる。反射器の位置と同期して入射光１０３を映像信号で変調する。入射光１０３は赤・青・緑の３色が映像信号の３色成分に相当し独立に変調される。
この動作はブラウン管テレビジョンと基本的に同様である。ブラウン管テレビジョンでは、入射光１０３の代わりに電子ビームを、偏向反射器１０１の代わりに偏向コイルによって電子ビームの向きを変えている。
【０００５】
偏向反射器１０１により反射光の輝点を走査させる場合、走査範囲は反射器の振れる角度に大きく依存する。偏向反射器１０１の位置からスクリーン１０２の位置までの距離が同じなら、反射器を大きな角度で振れるほど投射される映像は大きくなる。
ミラーにより偏向器を構成する場合、ミラーを回転させる、ミラーを振動させるなどが可能な駆動系が必要になる。数十ｋＨｚの偏向を行うには、高速回転が要求されるが、小型なモータで実現するのは難しくなる。そこで、ミラーを振動させると小型のものが実現できるが、直線的な動きや不連続な動きのある図１４のような走査は難しくなる。
ミラーを振動させる場合は共振を用いると少ないエネルギーで大きな振幅を得ることができる。
そこで、例えば直交する軸をそれぞれ基本波で動かすと図１５のような走査が行われる。このような走査の軌跡はリサージュ図形と呼ばれる。この例では図中の水平方向と垂直方向の周波数の比は１０：３である。水平方向と垂直方向の基本波の位相差はゼロの場合を例示している。
【０００６】
図１５に示すような走査をする場合には、縦方向と横方向の周波数を決める必要がある。図１４に示すようなラスタースキャン方式での走査に比べて周波数選択の自由度が高く、例えば映像投影に適した周波数を決める方法論がなかった。
特許文献１では、反射器の角度制御が容易になるように、基本波を用いて反射器を駆動する方法と、周波数の設計方法とが報告されている。
詳しくは、走査アセンブリは、第１の次元において第１の周波数により画像ビームを掃引し、第２の次元においては、第１の周波数よりも低い第２の周波数により双方向に掃引するという技術が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１４に示すようなテレビジョンの走査方式であるラスタースキャン方式では、映し出す映像の画素の上を走査線が通るように設計する。しかしながら、図１５に示すような走査を行う場合、走査範囲である矩形領域全体を走査するのは難しくなる。
例えば図１６はある矩形領域を２０×２０の画素で構成する場合を示している。このような矩形領域を対象として図１５に示すようなリサージュ図形の軌跡上を走査する場合、走査されない画素が生じることになるといった問題があった。
なお、図１６においては、走査されない画素を白い画素として図示している。
【０００８】
そこで、走査領域となる範囲をよりムラなく走査可能な走査方法の提案が切望されている。
本発明はこのような課題を鑑み、走査領域となる範囲をよりムラなく走査可能な走査周波数の選択を実現する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、第１偏向方向と第２偏向方向とに互いに独立して振動し、入射される電磁波の向きを変えて反射する偏向器を有し、偏向器が偏向させた電磁波を走査させることにより空間を２次元走査する走査方法において、第２偏向方向に１往復する時間において、第１偏向方向の位相進み角度βと、周角とがなす比が略無理数となり、位相進み角度βは概略黄金角となるような第１および第２振動周波数を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、走査領域となる範囲をよりムラなく走査可能な走査周波数の選択を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１５に示すようなリサージュ図形がｙ方向に１往復した場合の様子を示す図である。
【図２】走査線の例を示す図である。
【図３】走査線の例を示す図（ａ）〜（ｃ）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る画像投影装置である映像プロジェクタの構成について説明するためのブロック図である。
【図５】ＬＤ＿Ｒ，ＬＤ＿Ｇ，ＬＤ＿Ｂと偏向反射器２０１との配置関係を示す図である。
【図６】出力制御部の詳細な構成を示した図である。
【図７】走査線の例を示す図である。
【図８】走査線の例を示す図である。
【図９】走査線の例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る画像取得装置であるフォトディテクタについて説明するためのブロック図である。
【図１１】従来の走査方法として、１つの偏向反射器を配置している例を示す図（その１）である。
【図１２】従来の走査方法として、１つの偏向反射器を配置している例を示す図（その２）である。
【図１３】従来の走査方法として、２つの偏向反射器を配置している例を示す図である。
【図１４】従来の走査方法として、ラスタースキャン方式について説明するための図である。
【図１５】走査の軌跡を表すリサージュ図形を示す図である。
【図１６】２０×２０の画素で構成する矩形領域を対象としてリサージュ図形の軌跡上を走査する場合に、走査されない画素が生じることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る走査方法の原理について説明する。
偏向器は入射する電磁波の向きを変えて出力する。偏向器は異なる２つの方向へ独立して向きを変えられる。この２つの向きを第１の偏向方向と第２の偏向方向と呼称する。第１の偏向方向と第２の偏向方向とは互いに独立した概略単振動する向きに偏向する。
第１の偏光方向に対する振動の周波数をｆ1、周期をＴ1＝１／ｆ1、第２の偏光方向の周波数をｆ2，周期をＴ2＝１／ｆ2とする。第１の偏光方向の振動と、第２の偏光方向の振動との位相差をαとする。
第１の偏光方向と第２の偏光方向は概略直行する方向とする。ここでは第１の偏光方向をｘ方向、第２の偏光方向をｙ方向と呼ぶ。
【００１６】
ｘ方向とｙ方向の振動が合成されることで偏向器の偏光方向は例えば図１５に示すようなリサージュ図形を描く。ｘ方向とｙ方向との周波数の比は１０：３であり、α＝０度の場合の例である。このような方向に光線を投射しスクリーンに投影させることでスクリーンの矩形領域を走査することになる。振動の振幅の大きさにより矩形領域の大きさや縦横比を変えることができるが、ここでは、ｘとｙとの振幅比は１：１として説明をする。
【００１７】
図１５に示すようなリサージュ図形がｙ方向に１往復した場合の様子を図１に示す。ｙ方向が１往復する時間Ｔ2が経った時には、ｘ方向の振動はβ度位相が進む。このように規定したときにβを位相進み角度という。
【数１】
0005565270.tif 000002
となっている。なお、周波数の比が１０：３なので位相進み角度βは１２０度となる。
よって、リサージュ図形は１往復では起点に戻って来ずにｘ方向へ１２０度ずれた位置に戻ってくる。
ｙが１往復すると１２０度位置がずれるので、３往復すると丁度３６０度の回転となり起点に戻ることになる。
このリサージュ図形で例えば２０×２０の分解能で画素を構成することを考えると、図１６に示すようになる。図１６に示す白い画素（走査による軌跡を含んでいない領域上にある画素）は偏向器が何往復走査しようが走査線が通ることはない。
【００１８】
この例のように、リサージュ図形による走査は走査ムラを生じ易い。そこで、矩形領域を均等に走査させるには、走査分解能と走査周波数を適切に選択する必要がある。
走査されない場所をより少なくするには、角度βを見直すと良い。ｙ方向の１往復でβ度だけｘ方向の回転が起こることを表すので、例えばβが１０度となるような周波数の組み合わせを選択すれば、ｙ方向に１往復毎にｘ方向に１０度のずれが生じる。先程の周波数の例に倣えば、ｆ1：ｆ2＝１０：３．３０２７５というような周波数比である。この時の走査線の例を図２に示す。
このように位相進み角度βを小さな角度にするとより密度の高い走査が可能となる。しかし、矩形領域全体を走査する時間は増加することになる。位相進み角度β＝１０度ならば３６回ｙ方向の往復をする時間が必要である。
【００１９】
位相進み角度βが有理数の場合、走査はいつか元の場所に戻ってくることを意味する。元の場所に戻る場合には走査線が通らない場所が生じることになる。
そこで、矩形領域の操作時間と走査密度のバランスをとるためβと周角の比を無理数の角度とする。このようにすると、位相進み角度β度でいくら回転しても同じ角度になって戻ることは無い。
ここではその位相進み角度βの角度を黄金角とする。黄金角とは、周角を黄金比φで分割したものである。
【数２】
0005565270.tif 000003
よって黄金角は約１３７．５０７８・・・度である。
円周を黄金角単位に回転していくと、回転位置が重なることが無く、かつ均一に円周上の角度を占めていくことで知られている。
【００２０】
この場合の走査の様子を図３に示す。図３（ａ）は、位相進み角度βはβ＝１３７．５０８度、周波数比はｆ１：ｆ２＝１０：２．９５６８６であり、ｙ方向に３０往復している様子を示す。図３（ｂ）は、ｙ方向に６０往復している様子を示す。図３（ｃ）は、ｙ方向に９０往復している様子を示す。このように、同じ走査をすることが殆ど無くなるため矩形領域全体を埋めるように走査することが可能となる。
実際には無理数の周波数比を発生させることは困難であるため、有理数に近似した位相進み角度βを用いるのが現実的である。図３に示す走査の計算においても周波数比を小数点以下第７位で四捨五入した値を用いている。
このような位相進み角度βを持った周波数の組み合わせを求めるには次の式を用いればよい。
【数３】
0005565270.tif 000004
あるいは、
【数４】
0005565270.tif 000005
ここで、Ｎは正の整数である。Ｎはｘ方向とｙ方向との大まかな周波数比となる。位相進み角度βの単位は度である。式が２種類あるのはβ度進む場合と、β度遅れる場合とを表すためである。
偏向器については、２軸を有する偏向器、あるいは、図１３に示すように、１軸の偏向器１０１ａ，１０１ｂが互いに略直行する偏向方向を有するように配置している場合も同様である。
【００２１】
＜第１実施形態＞
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態に係る画像投影装置である映像プロジェクタの構成について説明する。
ビデオデコーダ部１０は、映像信号の色情報と垂直・水平タイミング情報から画素の色と位置を再構成してフレームメモリ部１１へ画素情報を書き込む。
フレームメモリ部１１は、少なくとも１画面分の映像情報を記憶する。
第１信号発生部１２は、偏向反射器２０１の軸１を振動させる信号を発生する。第２信号発生部１３は偏向反射器２０１の軸２を振動させる信号を発生する。
【００２２】
出力制御部１４は、第１信号発生部１２と第２信号発生部１３とが発生した信号のタイミングにあわせて偏向反射器２０１の動きを推測し、偏向反射器２０１の反射光の位置を算出する。算出した位置に対応した画素情報をフレームメモリ部１１から読み出し、その色信号に応じてＲ用ドライバ１５Ｒ、Ｇ用ドライバ１５Ｇ及びＢ用ドライバ１５Ｂへ信号を出力する。
Ｒ用ドライバ１５Ｒは入力した信号からＬＤ＿Ｒを駆動する。Ｇ用ドライバ１５Ｇは入力した信号からＬＤ＿Ｇを駆動する。Ｂ用ドライバ１５Ｂは入力した信号からＬＤ＿Ｂを駆動する。
【００２３】
ＬＤ＿Ｒは指向性を持った光を発生する。発生した光は偏向反射器２０１に照射し、向きを変えられスクリーン上の輝点となる。ここでは映像の赤成分を照射する。ＬＤ＿Ｇは指向性を持った光を発生する。発生した光は偏向反射器２０１に照射し、向きを変えられスクリーン上の輝点となる。ここでは映像の緑成分を照射する。ＬＤ＿Ｂは指向性を持った光を発生する。発生した光は偏向反射器２０１に照射し、向きを変えられスクリーン上の輝点となる。ここでは映像の緑成分を照射する。光源としては例えばＬＥＤあるいはレーザ発信器が望ましい。
【００２４】
第１ドライバ１６は、第１信号発生部１２の信号に基づき偏向反射器の軸１を駆動する。第２ドライバ１７は第２信号発生部１３の信号に基づき偏向反射器の軸２を駆動する。
偏向反射器２０１は入射する光を反射する。反射方向は略直行する軸１と軸２により方向を変えることができる。例えば軸１は投影する映像の水平方向に向きを変える。軸２は映像の垂直方向に向きを変える。
検知器１９は、実際の偏向反射器２０１の位置を検出する。偏向反射器２０１の角度と関連する信号である。例えば、検知器１９は歪みセンサを有し、偏向反射器２０１の角度を偏向反射器２０１を支える軸のねじれより歪みを検出する。あるいは、偏向反射器２０１で反射された光を光検知器（たとえばフォトダイオード）で検知すると、偏向反射器２０１がフォトダイオードが設置された方向に輝点を照射するタイミングが判る。
【００２５】
図５は、ＬＤ＿Ｒ，ＬＤ＿Ｇ，ＬＤ＿Ｂと偏向反射器２０１との配置関係を表している。
３０１はＬＤ＿Ｒ、３０２はＬＤ＿Ｇ、３０３はＬＤ＿Ｂであり、それぞれ半導体レーザを用いる。
３０４ａ，３０４ｂはダイクロックミラーである。２０１は偏向反射器である。３０５Ｒ，３０５Ｇ，３０５Ｂはレンズである。
半導体レーザ３０１，３０２，３０３から照射される光は、それぞれレンズ３０５Ｒ，３０５Ｇ，３０５Ｂにより拡散角度を狭められ直進する光に整形される。それぞれの３本の光はダイクロックミラー３０４により１本の光に合成される。
合成された光は偏向反射器２０１により反射されて方向を変える。
【００２６】
図６は、図４に示す出力制御部１４について詳しく示した図である。
第１振動モデル部２１は、偏向反射器２０１の軸１の振動を模し、偏向方向を算出する。第２振動モデル部２２は偏向反射器２０１の軸２の振動を模し、偏向方向を算出する。
座標算出部２４は、振動モデルより算出された軸１及び軸２の位置より出力すべき画素の座標を決定する。また、投影映像の歪み補正のため座標補正部２６のパラメータに従い座標変換を行う。
バッファ読出部２３は、座標算出の座標値に対応する画素をフレームメモリ部１１に設けられたフレームバッファより読み出す。
これら第１振動モデル部２１、第２振動モデル部２２、座標算出部２４、バッファ読出部２３は少なくとも３系統を有する。それぞれ、例えば赤、青、緑の成分の３系統有し、映像の色成分毎に処理を行う。
【００２７】
画素補正部２５は、画素の色を補正する。フレームメモリ部１１に記憶された値に対し、ガンマ補正、色補正、明るさ・コントラスト補正を行う。
画素補正部２５により補正された３色分の画素データはそれぞれのドライバ１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂへ出力される。
振動モデル部２１，２２は、例えばサイン波を発生する。偏向反射器２０１が共振により振動している場合、サイン波は良い近似を得られる。サイン波の位相は検知器１９により検出された偏向反射器２０１の歪みに基づいて振動モデル部２１，２２で補正することで、実際の偏向反射器２０１の向きに合わせることができる。偏向反射器２１，２２の振動を表しているなら振動モデル部２１，２２の出力波形はサイン波でなくても良い。
【００２８】
ここで、偏向反射器２０１の振動周波数を上記式３、式４に当てはめて決定する。
例えばＮ＝１、ｆ1＝５ｋＨｚ、β=１３７．５１度とすると、ｆ2＝３６１８．０１８Ｈｚと求められる。この時、１／３０秒でどの程度映像領域が走査されるかを見てみる。このｆ２の周波数だと１／３０秒で約１２０往復する。この様子を図７に示す。
また、ｆ1＝１０ｋＨｚとすると、ｆ２＝７２３６．０４Ｈｚとなり、同じく１／３０秒では図８に示す様子のようになる。
偏向反射器２０１の振動周波数を上げれば矩形領域をより隙間なく走査することになる。描画する映像の解像度により十分な周波数を決定すればよい。
ここでは、Ｎ＝１の場合を例示したが、Ｎが１より大きくともよい。
例えば、ｆ＝５ｋＨｚでＮ＝２とした場合、ｆ２＝２０９９．１Ｈｚと求まる。１／３０秒で走査される範囲は図９に示す様子のようになる。
【００２９】
このように、本実施形態によると、偏向反射器の振動周波数の組み合わせは複数の選択が可能となる。これにより偏向反射器を製造する上で設計の自由度が高まり、より低コストな方式を検討することが可能となる。ｘ方向とｙ方向の周波数の違いを小さく抑えたい場合は、例えばＮを１〜３程度に設定して設計周波数を検討すればよい。逆に、ｘ方向とｙ方向の周波数の違いを大きくしたい場合はＮをより大きな数値にして設計周波数を検討する。
例えば２軸の偏向方向を有する偏向反射器を作成する場合、単方向の偏向反射器の中に異なる方向の偏向反射器を入れ子状に実装することが考えられる。この場合、母偏向反射器は子偏向反射器を入れるために子偏向反射器に比べ大きく重くなる。つまり、母偏向反射器と子偏向反射器の共振周波数は大きく異なってくる。このような場合にはＮが大きな周波数の組み合わせを検討することで適した周波数の組み合わせが見つかる可能性が高まる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態に係る画像取得装置であるフォトディテクタについて説明する。
図１０において、４０２はフォトディテクタであり、２０１は偏向反射器である。偏向反射器２０１は、上述した走査方法により駆動されている。
遠方から入射される光線は偏向反射器２０１により偏向される。偏向された光線はレンズ４０１で集光されフォトディテクタ４０２で検出される。偏向反射器２０１の角度とフォトディテクタ４０２の検出値を関連付けすることで画像を形成する。
【００３１】
本実施形態によれば、位相進み角度βと周角の比が概略無理数となるような第１および第２の振動周波数を用いることで、走査線が常に異なる場所を走査することが可能となる。これにより、走査ムラを低減することができる。
【００３２】
本実施形態によれば、位相進み角度βは概略黄金角となるような第１および第２の振動周波数を用いることで、走査線が同じ場所を通る確率を減らし、かつ走査矩形領域全体をムラ無く走査する確率を上げることができる。
【００３３】
本実施形態によれば、上記走査方法を像投影に用いることで、走査ムラが目立たない映像投影が可能となる。また、投影走査に必要な偏向器の周波数に設計自由度が生じ、より低コストな偏向器を用いることが可能となる。
【００３４】
本実施形態によれば、上記走査方法を画像取得に用いることで、走査ムラが目立たない画像取得が可能となる。また、画像取得に必要な偏向器の周波数に設計自由度が生じ、より低コストな偏向器を用いることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、光により物体を加工する装置の光走査方法、及び光を目標物に照射し目標物からの反射光を測定することで目標物の位置、構成成分を検出する装置あるいは網膜をスクリーンとしたプロジェクタ装置の光走査方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０    ビデオデコーダ部
１１    フレームメモリ部
１２    第１信号発生部
１３    第２信号発生部
１４    出力制御部
１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂ    ドライバ
１６    第１ドライバ
１７    第２ドライバ
１９    検知器
２１    第１振動モデル部
２２    第２振動モデル部
２３    バッファ読出部
２４    座標算出部
２５    画素補正部
２６    座標補正部
２０１    偏向反射器
３０１    ＬＤ＿Ｒ
３０２    ＬＤ＿Ｇ
３０３    ＬＤ＿Ｂ
３０４ａ，３０４ｂ    ダイクロックミラー
３０５Ｒ，３０５Ｇ，３０５Ｂ    レンズ
４０１    レンズ
４０２    フォトディテクタ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３７】
【特許文献１】特表２００５−５２６２８９号公報
【図１】
0005565270.tif 000006
【図２】
0005565270.tif 000007
【図３】
0005565270.tif 000008
【図４】
0005565270.tif 000009
【図５】
0005565270.tif 000010
【図６】
0005565270.tif 000011
【図７】
0005565270.tif 000012
【図８】
0005565270.tif 000013
【図９】
0005565270.tif 000014
【図１０】
0005565270.tif 000015
【図１１】
0005565270.tif 000016
【図１２】
0005565270.tif 000017
【図１３】
0005565270.tif 000018
【図１４】
0005565270.tif 000019
【図１５】
0005565270.tif 000020
【図１６】
0005565270.tif 000021