(57)【要約】  本発明は、投影面（３）に画像情報を投影するための投影装置（２）であって、レーザ光線を生成するためのレーザ（４）と、投影面（３）の様々な像点に向けて選択的にレーザ光線を偏向するためのマイクロミラーユニット（５）とを備える投影装置に関し、マイクロミラーユニット（５）によって達成可能なレーザ光線の偏向度を拡大するための拡大光学系（６）が、マイクロミラーユニット（５）の後方のレーザ光線の光路に配置されている。さらに本発明は、投影面（３）に画像情報を投影する方法であって、レーザ光線が生成され、レーザ光線がマイクロミラーユニット（５）によって投影面（３）の様々な像点に向けて選択的に偏向される方法に関し、拡大光学系（６）によってレーザ光線の偏向度が拡大される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影面（３）に画像情報を投影するための投影装置（２）であって、レーザ光線を生成するためのレーザ（４）と、投影面（３）の様々な像点に向けて選択的にレーザ光線を偏向するためのマイクロミラーユニット（５）とを備える投影装置（２）において、
マイクロミラーユニット（５）によって達成可能なレーザ光線の偏向度を拡大するための拡大光学系（６）が、マイクロミラーユニット（５）の後方のレーザ光線の光路に配置されていることを特徴とする投影装置（２）。
【請求項２】
請求項１に記載の投影装置において、
レーザ光線をコリメートするためのコリメーションレンズ（７）を備える投影装置。
【請求項３】
請求項２に記載の投影装置において、
前記コリメーションレンズ（７）によってコリメートされたレーザ光線を集束するための集束レンズ（８）を備える投影装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の投影装置において、
前記マイクロミラーユニット（５）と前記拡大光学系（６）との間のレーザ光線の光路に、偏向素子、特にミラーまたはプリズムが配置されている投影装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影装置において、
特に電気式に調節可能な焦点距離を有する補正レンズ（９）を備える投影装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の投影装置において、
補正レンズ（９）が液体レンズ、液晶レンズ、またはポリマーレンズである投影装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影装置において、
補正レンズ（９）が、マイクロミラーユニット（５）の前方のレーザ光線の光路に配置されている投影装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一項に記載の投影装置において、
補正レンズ（９）が、集束レンズ（８）とマイクロミラーユニット（５）との間のレーザ光線の光路に配置されている投影装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の投影装置において、
補正レンズ（９）が信号入力部を備え、該信号入力部が、制御ライン（１１）を介して、マイクロミラーユニット（５）を制御するための制御ユニット（１０）またはマイクロミラーユニット（５）に接続されている投影装置。
【請求項１０】
投影面（３）に画像情報を投影する方法であって、レーザ光線が生成され、該レーザ光線がマイクロミラーユニット（５）によって投影面（３）の様々な像点に向けて選択的に偏向される方法において、
拡大光学系（６）によってレーザ光線の偏向度を拡大する方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、
補正レンズ（９）の焦点距離を、特に電気式に、調節する方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
マイクロミラーユニット（５）の偏向位置に依存して補正レンズ（９）の焦点距離を調節する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載の投影装置および請求項１０の前提部分に記載の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影面の様々な像点に向けてレーザ光線を選択的に偏向するためのマイクロミラーユニットを備る、レーザに基づいた投影装置では、例えばスマートフォン、カメラ、ＰＤＡ、またはタブレットＰＣなどの携帯可能な機器における役割が増大している。多くの場合、このような画像投影機はラスタースキャン方法に基づいており、レーザ光線がマイクロミラーユニットの調節可能なマイクロミラーによって投影面の様々な像点に結像される。
【０００３】
このような投影装置は、移動機器から比較的遠く離れた投影面、例えば壁などに画像情報を投影する用途において有効性が実証された。一般的な投影距離は、このような用途では１ｍ以上の範囲である。
【０００４】
上述のような携帯可能な機器では、例えば携帯機器の周辺にコントロールパネルおよび／またはキーボードを投影するために、極めて短い投影距離により画像情報を投影する必要性がある。これに関して既知の投影装置の欠点は、投影距離が短縮されたことによって、多くの用途では小さすぎるとみなされる投影面が生じることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、画像情報を投影するための投影装置および方法において、投影される画像情報のサイズを制限することなしに、近い投影距離で投影面に画像情報を投影することが可能な投影装置および方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
独立請求項に記載の本発明による投影装置および本発明による方法は、従来技術に対して、最大限に達成可能なレーザ光線の偏向度が拡大光学系によって拡大されるという利点を有する。したがって、投影距離が近い場合にも十分に大きい投影面を得ることが可能である。
【０００７】
マイクロミラーユニットは、以下では「マイクロミラー」とも呼ぶ複数の微小機械ミラーを備えていてもよい。マイクロミラーユニットの好ましい構成では、マイクロミラーユニとは、第１軸線を中心として旋回可能な第１マイクロミラーと、第２軸線を中心として旋回可能な第２マイクロミラーとを備える。第２軸線は、好ましくは第１軸線に対して傾斜して、特に直交して配置されている。
【０００８】
本発明の好ましい構成および実施形態が従属請求項ならびに図面を参照した説明に記載されている。
【０００９】
好ましい実施形態によれば、投影装置は、レーザ光線をコリメートするためのコリメーションレンズを備える。コリメーションレンズによって、レーザによって放出されたレーザ光線を実質的に平行に整列することができる。特にコリメーションレンズは、１０ｍｍ未満の範囲、好ましくは５ｍｍ未満の範囲、特に好ましくは３ｍｍ未満の範囲の焦点距離を備える。コリメーションレンズは、好ましくはレーザからできるだけ小さい間隔をおいて配置されており、したがって、できるだけ小さい直径、特に１ｍｍ未満の直径を備えるコリメートされたレーザ光線を得ることができる。例えば、コリメーションレンズとレーザとの間の間隔は、１０ｍｍ未満の範囲、好ましくは５ｍｍ未満の範囲、特に好ましくは３ｍｍ未満の範囲であってもよい。
【００１０】
好ましい一構成では、投影装置は、コリメーションレンズによってコリメートされたレーザ光線を集束するための集束レンズを備える。集束レンズは、コリメートされたレーザ光線を集束し、レーザ光線の直径をマイクロミラー装置の開口に適合させることができる。さらに、集束によってレーザ光線を拡大光学系およびコリメーションレンズに適合させることが可能になる。
【００１１】
マイクロミラーユニットと拡大光学系との間のレーザ光線の光路に偏向素子が配置されていることは利点である。この偏向素子を介してレーザ光線の方向を変更することができ、マイクロミラーユニットの出射面に対して傾斜して配置された投影面に投影を行うことができる。したがって、この偏向素子によって、テーブル面に配置可能な移動機器に投影装置を設けることが可能であり、テーブル面において移動機器の前方の範囲に画像情報を投影することができる。好ましくは、偏向素子は、ミラー、特に平坦なミラーまたはプリズムとして構成されている。代替的には、拡大光学系が偏向素子、例えば凸面鏡を備えていてもよく、これによりレーザ光線を偏向することができ、マイクロミラーユニットの最大偏向角を拡大することができる。
【００１２】
投影装置が、調整可能な焦点距離を有する補正レンズを備える構成が好ましいことが判明した。このような構成は、投影装置の個々の光学素子が互いに対して誤った位置にあることにより、投影面に投影された画像情報に生じた歪みを、補正レンズの焦点距離を変更することによって補正できるという利点を有する。この場合、このような構成はレーザ光線の光路に光学素子を位置決めする場合により大きい許容差を可能にする。コリメーションレンズの使用に関連して、レーザに対するコリメーションレンズの誤った位置決めを、補正レンズの焦点距離を調節することによって補正できるという利点が得られる。好ましくは、補正レンズの焦点距離は電気式に調節可能であり、焦点距離は電気信号の設定によって調節することができる。
【００１３】
好ましくは、補正レンズは液体レンズ、液晶レンズ、またはポリマーレンズとして構成されている。補正レンズは、光学活性の液状コアを備え、コアの表面形状はエレクトロウェッティング効果によって制御可能である。代替的には、補正レンズは、アクチュエータ、特に圧電アクチュエータによって変形可能なポリマーからなるレンズボディを備えていてもよい。
【００１４】
好ましい構成によれば、補正レンズはマイクロミラーユニットの前方のレーザ光線の光路に配置されている。補正レンズを介して、レーザ光線がマイクロミラーユニットに入射する前にレーザ光線の光路の補正およびレーザ光線の焦点合わせを行うことができる。
【００１５】
好ましくは、補正レンズは集束レンズとマイクロミラーユニットとの間のレーザ光線の光路に配置されており、補正レンズを介して、既に焦点合わせされたレーザ光線の補正を行うことができる。
【００１６】
好ましい構成では、補正レンズは信号入力部を備え、この信号入力部は制御ラインを介して、マイクロミラーユニットを制御するための制御ユニットまたはマイクロミラーユニットに接続されている。制御ラインを介して、補正レンズの制御をマイクロミラーユニットの偏向と同期することができ、これにより投影された画像の解像度が高められる。したがって、マイクロミラーユニットの偏向位置に依存して投影の動的な補正を行うことが可能である。
【００１７】
本発明による方法の好ましい構成によれば、補正レンズの焦点距離がマイクロミラーユニットの偏向位置に依存して調節される。画像情報を投影面に投影する投影装置では投影面の像点が様々な投影距離を備え、画像表示を改善するために補正レンズの焦点距離を投影距離に依存して調節することが可能である。
【００１８】
本発明の実施例を図面に示し、以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例による投影装置を備える携帯可能な機器を示す概略的な側面図である。
【図２】図１に示した携帯可能な機器を示す概略的な平面図である。
【図３】本発明による投影装置の第１実施例を示す概略図である。
【図４】本発明による投影装置の第２実施例の光路を示す概略図である。
【図５】図４に示した投影装置を示す詳細図である。
【図６】本発明による投影装置の第３実施例の光路を示す概略図である。
【図７】図６に示した投影装置の詳細図である。
【図８】本発明による方法の一実施例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、例えばスマートフォン、カメラ、ＰＤＡ、またはタブレットＰＣとして構成されていてもよい携帯可能な機器１を示す。携帯可能な機器１は、ケーシングと、ケーシングの内部に配置された投影装置２とを備え、投影装置２はピコプロジェクターとして構成されている。投影装置２によって、携帯可能な機器１の周囲でコントロールパネルおよび／またはキーボードを投影することができる。投影は、例えば携帯可能な機器１を載置したテーブル面Ｔに対して行うこともできる。この場合、携帯可能な機器はテーブル面Ｔに載置され、投影装置２はテーブル面から、一般に０．５ｍよりも小さい間隔ｈをおいて配置されている。間隔ｈは、例えば０．１ｍ〜０．３ｍ、好ましくは０．１ｍ〜０．１５ｍであってもよい。
【００２１】
図２は、携帯可能な機器の平面図を示す。投影面３に投影された画像情報に台形状の歪みが生じることがわかる。
【００２２】
図３は、投影面３に画像情報を投影するための本発明による投影装置２の第１実施例を示す。この投影装置２は携帯可能な機器１で使用することができる。投影装置２は、レーザ光線を生成するレーザ４を備える。さらに投影装置２はマイクロミラーユニット５を含み、このマイクロミラーユニット５を介して、投影面の個々の像点に向けて選択的にレーザ光線を偏向することができる。マイクロミラーユニット５は２つの微小機械ミラー５．１，５．２を備える。マイクロミラーユニット５の第１の微小機械ミラー５．１は、レーザ光線を第１方向に偏向するために第１軸線Ａを中心として旋回可能に配置されている。第２の微小機械ミラー５．２は、第１軸線Ａに対して直交方向に配置された第２軸線Ｂを中心として旋回可能である。第２の微小機械ミラー５．２を介して、第１方向に対して直交方向にレーザ光線を偏向することができる。マイクロミラーユニット５を介して、投影面の個々の像点に、順次に、特に列毎および／または行毎にレーザ光線をガイドすることができる。
【００２３】
投影距離が比較的近いにもかかわらず、投影面３にできるだけ大きい画像が得られるように、投影装置２は、マイクロミラーユニット５の後方のレーザ光線の光路に配置された拡大光学系６を備え、この拡大光学系６はマイクロミラーユニット５によって達成可能なレーザ光線の偏向度を拡大する。拡大光学系６は凸面鏡として形成されており、この凸面鏡は、一方では、投影面に投影された画像情報を拡大し、他方では、マイクロミラーユニット５から放出されるレーザ光線を投影面の方向に偏向するように構成されている。
【００２４】
図４および図５は、本発明による投影装置２の第２実施例を示す。投影装置２は、レーザ４、およびレーザ４によって生成された光をコリメートするためのコリメーションレンズ７を含む。コリメーションレンズ７の光路には集束レンズ８が配置されており、集束レンズ８は、コリメートされたレーザ光線を集束し、これによりレーザ光線をマイクロミラーユニット５の開口部に適合させることができる。投影装置２は、拡大レンズとして形成された拡大光学系６を備える。マイクロミラーユニット５と拡大光学系６との間の光路には、随意に、投影面３の方向にレーザ光線を偏向することができる偏向素子（図４および図５には図示しない）例えばミラーまたはプリズムが設けられていてもよい。
【００２５】
図６および図７は、本発明による投影装置２の第３実施例を示す。第２実施例による投影装置に関連して説明した素子に加えて、第３実施例による投影装置２は電気式に調節可能な焦点距離を備える補正レンズ９を含む。補正レンズ９は、電気的な制御信号１１を印加することによって調節可能な液体レンズ、液晶レンズ、またはポリマーレンズとして構成されている。補正レンズ９は、集束レンズ８とマイクロミラーユニット５との間の光路に配置されている。補正レンズ９の焦点距離を調節することによって、レーザに対するコリメーションレンズの位置決めの誤りを補正することが可能である。調節は、制御ユニット１０によって自動的に行うこともできるし、またはユーザが手動で行うこともできる。したがって、投影装置２において、投影面３に結像される画像情報の鮮明度を調節することが可能である。
【００２６】
投影装置２の制御ユニット１０は、補正レンズ９およびマイクロミラーユニット５の両方に接続されている。制御ユニット１０を介して、補正レンズ９の焦点距離およびマイクロミラーユニット５の偏向度が同時に制御され、したがって、マイクロミラーユニット５によるレーザ光線の偏向度に依存してレーザ光線の焦点を調節することができる。この場合には投影時にレーザ光線を動的に補正することができる。したがって、補正レンズ９の制御は、マイクロミラーユニット５が個々の像点を制御するために作動される周波数と同じ周波数によって行われる。
【００２７】
マイクロミラーユニット５と拡大光学系６との間の光路には、投影面３の方向にレーザ光線を偏向することができる偏向素子（図６および図７には示さない）、例えばミラーまたはプリズムが随意に設けられていてもよい。
【００２８】
次に図８に基づいて、投影面に画像情報を投影する方法を説明する。この方法では、図６および図７に示した第３実施例による投影装置２を使用することができる。
【００２９】
この方法では、レーザ４によってレーザ光線が生成され、マイクロミラーユニット５によって投影面３の様々な像点に向けて選択的に偏向される。マイクロミラーユニットによって達成可能なレーザ光線の偏向度は、マイクロミラーユニットの後方の光路に配置された拡大光学系６によって拡大される。
【００３０】
この方法では、第１方法ステップＳ１で投影が開始され、投影装置２は、マイクロミラーユニット５および補正レンズ９を初期化するために初期化シーケンスを行うことができる。第２方法ステップＳ２では、テスト情報として形成された画像情報が投影面３に投影される。第３方法ステップでは、補正レンズ９の焦点距離の変更に基づいて投影面３における画像情報の整列、および画像鮮明度の調節が行われる。第４方法ステップＳ４では、投影が要求を満たしているかどうかが検査される。必要に応じて、投影を改善するために第２および第３方法ステップを繰り返してもよい。
【００３１】
第５方法ステップＳ５では、投影面３においてできるだけ鮮明な画像が得られるように、補正レンズ９の焦点距離を調節できる範囲が計算される。第６方法ステップＳ６では、補正レンズ９の焦点距離の調節が、マイクロミラーユニット５のマイクロミラー５．１，５．２によるレーザ光線の偏向度の調節と同期される。第７方法ステップＳ７では、補正された画像が投影面３に投影される。
【００３２】
投影面に画像情報を投影するための上記投影装置２および対応する方法では、結像された画像情報を拡大することができ、従来のマイクロミラーユニット５を使用して短い投影距離によってテーブル面に画像情報を投影することが可能である。上記投影装置は小型に、コスト効率良く製造することができる。個々の光学素子を相互に位置決めする場合、特にレーザ４に対してコリメーションレンズ７を位置決めする場合に、第３実施例による投影装置２では、補正レンズ９による補正が可能なので、より大きい許容差を設けることができる。第３実施例による投影装置２のユーザは、補正レンズ９の焦点距離を変更することによって投影面３における結像の鮮明度を調節することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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