(57)【要約】【課題】装置がより小型化され、かつ投影画像がより高精細化される投影方法および投影装置を提供する。【解決手段】少なくとも赤色、緑色および青色（ＲＧＢ）を一組とするレーザ光を走査して画像を投影する投影方法は、レーザ光源（１０）からの複数組のレーザ光を出射させる出射ステップと、投影領域を構成する各部分領域（６１，６２）を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向（＋Ｘ方向または−Ｘ方向）に沿って、共通の走査部（４０）により２次元状に走査する走査ステップとを有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して画像を投影する投影方法であって、
レーザ光源からの複数組のレーザ光を出射させる出射ステップと、
投影領域を構成する各部分領域を、前記複数組のレーザ光のうち当該部分領域に対応するレーザ光で、当該部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って、共通の走査部により２次元状に走査する走査ステップと、
を有することを特徴とする投影方法。
【請求項２】
前記複数組のレーザ光は２組のレーザ光であり、
前記投影領域は２つの部分領域に分割され、
前記２つの部分領域における前記走査方向は互いに向かい合う方向であり、
前記走査ステップでは、前記走査方向に沿って複数の走査線を描くように、前記走査部により前記２つの部分領域上を走査する、請求項１に記載の投影方法。
【請求項３】
前記出射ステップでは、前記２組のレーザ光を、前記走査線の単位で交互に出射させる、請求項２に記載の投影方法。
【請求項４】
前記出射ステップでは、前記２組のレーザ光のそれぞれをファイバにより導波させ、当該ファイバの出射端面から当該２組のレーザ光を出射させ、
前記走査ステップでは、前記走査線に垂直な方向における各走査線の位置が前記２つの部分領域の間で一致するように、前記走査部により前記２組のレーザ光が走査される、請求項２または３に記載の投影方法。
【請求項５】
前記複数組のレーザ光は、前記投影領域近傍にビームウェスト位置が近付くように、投射レンズによりそれぞれのビーム径が絞られる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影方法。
【請求項６】
前記ファイバの先端にはＧＩレンズが設けられ、
前記投射レンズに入射する前記複数組のレーザ光のビーム径が前記ＧＩレンズにより調整される、請求項５に記載の投影方法。
【請求項７】
少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して画像を投影する投影装置であって、
複数組のレーザ光を発光するレーザ光源と、
前記複数組のレーザ光をそれぞれ導波して出射端面から出射する出射部と、
前記複数組のレーザ光のビームウェスト位置が投影領域近傍に近付くように当該レーザ光のビーム径を絞る投射レンズと、
前記投影領域を構成する各部分領域を、前記複数組のレーザ光のうち当該部分領域に対応するレーザ光で、当該部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って２次元状に走査する走査部と、
を有することを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を走査して画像を投影する投影方法および投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光ビームを出射するレーザ光源と、光ビームを略垂直にミラー面に入射し光ビームを略垂直に反射する走査ミラーと、光ビームを１／４波長板を介して走査ミラーに入射させるとともに、走査ミラーで反射され１／４波長板を通過した光ビームをスクリーンの方向へ出射させる偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタから出射された光ビームの走査角度をＮ倍に拡大する画角拡大素子を備える走査型画像表示装置が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、レーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光を２次元的に走査する走査装置と、それらの間に配置されレーザ光の光路を屈曲させる屈曲素子とを備えるレーザ投射装置が記載されている。この屈曲素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、ＰＢＳの反射面を透過した光をＰＢＳに戻すための反射ミラーと、ＰＢＳと反射ミラーの間に介在する１／４波長板と、ＰＢＳの反射面を反射した光をＰＢＳに戻すための反射ミラーと、ＰＢＳと反射ミラーの間に介在する１／４波長板とを備える。
【０００４】
特許文献３には、複数の光源と、光源からの出射光を反射し対象物に投射する反射ミラーと、入力映像信号を信号処理する画像処理手段とを有する画像表示装置が記載されている。この画像表示装置では、複数の光源からの出射光を異なる光軸で反射ミラーに入射させ、異なる投射領域に投影させ、且つこれをまとめることで一つの入力映像信号の画像を表示させる。複数の投射画像が光学的に重なり合う領域に対応する画像は、１つの光源からの出射光となっている。
【０００５】
特許文献４には、複数のレーザ光源と、レーザ光源から出射した光ビームを反射しスクリーン等に投射する反射ミラーとを有し、複数の光ビームを異なる光軸で反射ミラーに入射し異なる投射領域に投影して、複数の画面によって一つの画像を表示させる走査型投射装置が記載されている。この走査型投射装置では、複数の光ビームに所定の相対角度をつけ、複数の画面を互いにわずかにずらして重ね合わせることで一つの画面を構成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２３０３２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９１１７３号公報
【特許文献３】特開２０１３−０６８８５９号公報
【特許文献４】特開２０１３−１０１２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、携帯機器で高精細の３次元ディスプレイを実現するためには、ピコプロジェクタを２次元状に複数個配列してライトフィールドを形成することが考えられる。しかしながら、これでは装置を小型化することが難しく、製造コストも高くなる。このため、携帯機器に小型で高精細の投影装置を搭載するには、ピコプロジェクタ自体の一層の小型化と高精細化を同時に実現する必要がある。
【０００８】
そこで、本発明は、本構成を有しない場合と比べて装置がより小型化され、かつ投影画像がより高精細化される投影方法および投影装置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】
本発明の投影方法は、少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して画像を投影する投影方法であって、レーザ光源からの複数組のレーザ光を出射させる出射ステップと、投影領域を構成する各部分領域を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って、共通の走査部により２次元状に走査する走査ステップとを有する。
【００１０】
上記の投影方法では、複数のレーザ光は２組のレーザ光であり、投影領域は２つの部分領域に分割され、２つの部分領域における走査方向は互いに向かい合う方向であり、走査ステップでは、走査方向に沿って複数の走査線を描くように、走査部により２つの部分領域上を走査することが好ましい。
【００１１】
上記の投影方法の出射ステップでは、２組のレーザ光を、走査線の単位で交互に出射させることが好ましい。
【００１２】
上記の投影方法の出射ステップでは、２組のレーザ光のそれぞれをファイバにより導波させ、ファイバの出射端面から２組のレーザ光を出射させ、走査ステップでは、走査線に垂直な方向における各走査線の位置が２つの部分領域の間で一致するように、走査部により２組のレーザ光が走査されることが好ましい。
【００１３】
上記の投影方法では、複数組のレーザ光は、投影領域近傍にビームウェスト位置が近付くように、投射レンズによりそれぞれのビーム径が絞られることが好ましい。
【００１４】
上記の投影方法では、ファイバの先端にはＧＩレンズが設けられ、投射レンズに入射する複数組のレーザ光のビーム径がＧＩレンズにより調整されることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の投影装置は、少なくとも赤色、緑色および青色を一組とするレーザ光を走査して画像を投影する投影装置であって、複数組のレーザ光を発光するレーザ光源と、複数組のレーザ光をそれぞれ導波して出射端面から出射する出射部と、複数組のレーザ光のビームウェスト位置が投影領域近傍に近付くようにレーザ光のビーム径を絞る投射レンズと、投影領域を構成する各部分領域を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って２次元状に走査する走査部とを有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の投影方法および投影装置によれば、本構成を有しない場合と比べて装置がより小型化され、かつ投影画像がより高精細化される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】レーザプロジェクタ１の概略構成図である。
【図２】ＭＥＭＳミラー４１の構造を示した図である。
【図３】図１の等価光学系を示した図である。
【図４】ＧＩレンズ２６によるビーム径の調整について説明する図である。
【図５】２組のビーム７１，７２を用いた走査方法の例を示した図である。
【図６】ＭＥＭＳミラー４１のＸ，Ｙ方向の走査角α，βとレーザ光源１０の点灯タイミングの関係を示したグラフである。
【図７】走査線６３のずれの補正について説明する図である。
【図８】レーザプロジェクタ１の走査方法と別の走査方法を比較した図である。
【図９】４組のビーム７１〜７４を用いた走査方法の例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、投影方法および投影装置について説明する。ただし、本発明が図面または以下に記載される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。
【００１９】
この投影装置は、投影面（スクリーン）上の複数の部分領域を、複数組のレーザ光のうちその部分領域に対応するレーザ光で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向に沿って、共通の走査部により２次元状に走査する。この投影装置は、複数組のレーザ光を１つの走査部により走査することで、投影面上に高精細の画像を投影する。レーザ光の出射端面から投影面までの距離は、例えば数十ｃｍ〜数ｍ程度である。
【００２０】
図１は、レーザプロジェクタ１の概略構成図である。レーザプロジェクタ１は、投影装置の一例であり、主要な構成要素として、レーザ光源１０、出射部２０、屈曲部３０、走査部４０および制御部５０を有する。
【００２１】
レーザ光源１０は、６個のレーザ素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂを有する。レーザ光源１０は、複数のレーザ光として、２組のＲＧＢレーザ光を発光する。
【００２２】
レーザ素子１１Ｒ，１２Ｒは、例えば波長６４０ｎｍの赤色（Ｒ）レーザ光を発光する半導体レーザである。レーザ素子１１Ｇ，１２Ｇは、例えば波長５２０ｎｍの緑色（Ｇ）レーザ光を発光する半導体レーザである。また、レーザ素子１１Ｂ，１２Ｂは、例えば波長４６０ｎｍの青色（Ｂ）レーザ光を発光する半導体レーザである。なお、レーザ素子１１Ｇ，１２Ｇは、第２次高調波を使用したいわゆるＳＨＧレーザ素子でもよい。
【００２３】
出射部２０は、ファイバ２１，２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ、ファイバ２２，２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ、融着型ファイバコンバイナ２５、ファイババンドルコンバイナ２７およびλ／２板２８を有する。出射部２０は、レーザ光源１０が発光した２組のＲＧＢレーザ光を、屈曲部３０に向けて出射する。
【００２４】
ファイバ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、レーザ素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが発光したＲＧＢレーザ光をそれぞれ導波するシングルモードの光ファイバである。また、ファイバ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂは、レーザ素子１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂが発光したＲＧＢレーザ光をそれぞれ導波するシングルモードの光ファイバである。融着型ファイバコンバイナ２５は、ファイバ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂとファイバ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂで導波されるＲＧＢレーザ光を、それぞれ１本のファイバ２１，２２に合波する。ファイバ２１，２２は、合波されたＲＧＢレーザ光を導波するシングルモードの光ファイバである。特に、ファイバ２１，２２は、光の利用効率を向上させ、屈曲部３０での偏光の制御性を容易にするために、当該波長での偏波保持シングルモードファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaining Fiber）であることが好ましい。なお、ファイバ２１，２２と融着型ファイバコンバイナ２５を用いずに、単にファイバ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂとファイバ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂをそれぞれ束ねて固定することで、ファイババンドルでコンバイナを構成してもよい。
【００２５】
ファイバ２１，２２の出射端部には、それぞれＧＩレンズ２６が融着されている。ＧＩレンズ２６によりファイバの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を変化させることで、ファイバ２１，２２から出射されるＲＧＢレーザ光のそれぞれの波長におけるガウシアンビームの広がり角度が制御される。
【００２６】
ファイババンドルコンバイナ２７は、一定の間隔を空けてファイバ２１，２２の出射端部を固定する固定具である。ファイババンドルコンバイナ２７は、ＲＧＢレーザ光の出射方向に垂直な面内でファイバ２１，２２の出射端部を回転可能に構成されている。
【００２７】
λ／２板２８は、ファイバ２１，２２から出射されたＲＧＢレーザ光の偏光方向を変化させる。λ／２板２８は、例えば、透過したＲＧＢレーザ光が屈曲部３０の偏光制御部（後述する偏光ビームスプリッタ３２）に対してＳ偏光に高効率に変換されるように、入射するＲＧＢレーザ光の偏光状態に応じた角度だけ光学軸を傾けた状態で配置される。
【００２８】
屈曲部３０は、投射レンズ３１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）３２およびλ／４板３３を有する。屈曲部３０は、出射部２０からのＲＧＢレーザ光のビーム７１，７２を屈曲させて走査部４０に入射させ、走査部４０から投影面６０に向かう反射光を透過させる。
【００２９】
投射レンズ３１は、ファイバ２１，２２から出射されλ／２板２８によりＳ偏光に変換されたビーム７１，７２の進行方向を変化させる。特に、投射レンズ３１は、ビーム７１，７２が走査部４０のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー４１に照射されるように、そのビーム径と入射角度とを調整する作用をする。投射レンズ３１を透過したＳ偏光のビーム７１，７２は、ＰＢＳ３２に入射する。
【００３０】
ＰＢＳ３２は、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過する反射膜３２１を有する。ＰＢＳ３２は、入射したＳ偏光のビーム７１，７２を反射膜３２１で反射させて、λ／４板３３に入射させる。なお、ＰＢＳとして、誘電体多層ミラーからなる反射膜３２１を用いた立方体型を図示しているが、広帯域化を図るためにワイアグリッド型のプレート型反射型偏光子をＰＢＳ３２として配置してもよい。
【００３１】
λ／４板３３は、ＰＢＳ３２とＭＥＭＳミラー４１の間に配置され、透過するビーム７１，７２の偏光方向を変化させる。まず、λ／４板３３は、ＰＢＳ３２から入射したＳ偏光を円偏光に変換する。変換された円偏光のビーム７１，７２は、ＭＥＭＳミラー４１にほぼ垂直に入射し、ＭＥＭＳミラー４１で反射して、λ／４板３３に再度入射する。また、λ／４板３３は、ＭＥＭＳミラー４１から入射した円偏光をＰ偏光に変換する。すなわち、ビーム７１，７２は、λ／４板３３を２回透過することにより、最初の偏光方向に対して直交した偏光方向をもつ直線偏光に変換される。
【００３２】
Ｐ偏光に変換されたビーム７１，７２は、ＰＢＳ３２に再度入射し、ＰＢＳ３２の反射膜３２１を透過して、投影面６０に投影される。
【００３３】
走査部４０は、ＭＥＭＳミラー４１およびＭＥＭＳドライバ４２を有する。走査部４０は、高速に揺動するＭＥＭＳミラー４１でビーム７１，７２を反射することにより、投影面６０上を２次元状に走査する。
【００３４】
図２は、ＭＥＭＳミラー４１の構造を示した図である。ＭＥＭＳミラー４１は、ミラー面４１１がトーションバー４１２，４１３で支持された構造を有する。ミラー面４１１の大きさは、例えば１．２ｍｍ角程度である。ミラー面４１１と同一面内で、図２のようにＸ方向とＹ方向を定める。
【００３５】
ＭＥＭＳミラー４１は、Ｘ方向には例えば約２０ＫＨｚで共振駆動される。これによってトーションバー４１２が捻れることで、ミラー面４１１は、軸４１４を中心軸としてＸ方向に揺動する。このため、ミラー面４１１に入射するビームの反射角は、Ｘ方向に正弦波状に時間変化する。また、ＭＥＭＳミラー４１は、Ｙ方向には鋸波状の強制駆動により例えば６０Ｈｚで駆動される。これによってトーションバー４１３が捻れることで、ミラー面４１１は、軸４１４に直交する軸４１５を中心軸としてＹ方向に揺動する。このため、ミラー面４１１に入射するビームの反射角は、Ｙ方向に鋸波状に時間変化する。このようにして、ＭＥＭＳミラー４１は、入射したビームを、一定の走査角の範囲内で２次元状に走査する。
【００３６】
ＭＥＭＳドライバ４２は、制御部５０による制御データに応じてＭＥＭＳミラー４１を駆動し、ＭＥＭＳミラー４１をＸ，Ｙ方向に高速に揺動させる。この駆動方式は、静電方式、電磁方式、ピエゾ方式などのどれを用いてもよい。また、Ｘ，Ｙ方向の走査で異なる駆動方式を組み合わせてもよい。
【００３７】
ビーム７１，７２が投影される投影面６０上の有効エリアを広げるためには、ＭＥＭＳミラー４１に対してほぼ垂直にビームを入射し、反射することが好ましい。ただし、レーザ光源１０からＭＥＭＳミラー４１に直接ビーム７１，７２を入射させると、レーザ光源１０に向けて戻るビームを画像投影に使用できなくなる。このため、レーザプロジェクタ１では、ＰＢＳ３２を用いてビーム７１，７２を屈曲させることにより、ＭＥＭＳミラー４１でほぼ垂直に反射したビームが投影面６０に投影されるようにする。なお、図１では、２組のＲＧＢレーザ光の出射端となるＧＩレンズ２６を紙面に平行に配置したファイババンドルコンバイナ２７を例示しているが、ファイババンドルコンバイナ２７は紙面に垂直に配置してもよい。
【００３８】
また、レーザプロジェクタ１では、投影面６０上の有効エリアをさらに広げるために、シングルビーム（１組のＲＧＢレーザ光）ではなくダブルビーム（２組のＲＧＢレーザ光のビーム７１，７２）を使用する。例えば、シングルビームの場合は、ＭＥＭＳミラー４１の走査角が±８度の範囲であるとすると、ＭＥＭＳミラー４１へのビームの入射角（ミラー面４１１の法線と入射ビームのなす角）が８度のときは、ビームの走査角（入射ビームと反射ビームのなす角）は、最大で３２度になる。すなわち、ＭＥＭＳミラー４１により最大で３２度だけビームを振ることができる。一方、ダブルビームにすると、そのダブルビームの間隔、投射レンズ３１への入射角度、投射レンズ３１の焦点距離ｆ、ファイバ２１，２２のＮＡなどを調整することにより、同じＭＥＭＳミラー４１を使っても、実効的な走査範囲を倍の６４度にすることができる。したがって、ＭＥＭＳミラー４１の走査角が±８度と比較的小さくても、ダブルビームにすることで、より広い角度の範囲を走査することが可能になる。
【００３９】
なお、ＭＥＭＳミラー４１は、ＰＢＳ３２で反射したビームではなく、ＰＢＳ３２を透過したビームを使用して、投影面６０上を走査してもよい。この場合、λ／４板３３とＭＥＭＳミラー４１は、図１の配置とは異なり、出射部２０からＰＢＳ３２への入射方向の延長線上に配置される。そして、ファイバ２１，２２から出射されたビーム７１，７２は、λ／２板２８でＰ偏光に変換される。ＰＢＳ３２に入射したＰ偏光のビームは、一度ＰＢＳ３２を透過してからλ／４板３３を２回透過することでＳ偏光に変換され、反射膜３２１で反射して投影面６０に投影される。
【００４０】
制御部５０は、ＣＰＵ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ５３およびＩ／Ｏ５４などを有するマイクロコンピュータ及びその周辺回路で構成される。制御部５０は、レーザプロジェクタ１全体の動作を制御する。制御部５０は、画像データに応じて、後述するようにレーザ光源１０の発光タイミングを制御し、かつ走査部４０を制御してビーム７１，７２を投影面６０に投影させる。
【００４１】
ＣＰＵ５１は、各種演算及び処理を行う中央処理部である。ＲＡＭ５２は、入力データおよびＣＰＵ５１が処理するデータを一時的に記憶するランダムアクセスメモリである。ＲＯＭ５３は、ＣＰＵ５１が実行する動作プログラムおよび固定データを格納するリードオンリメモリである。Ｉ／Ｏ５４は、レーザ光源１０および走査部４０との間でデータの受渡しを行うためのインタフェースである。
【００４２】
図３は、図１の等価光学系を示した図である。図３は、図１に示した各部のうち、ＧＩレンズ２６と投射レンズ３１の機能だけを抜き出して表した図である。例えば、ＰＢＳ３２はビーム７１，７２の方向を変えるだけなので、図３では図示を省略している。また、ＭＥＭＳミラー４１はビーム７１，７２を反射するが、図３では透過するものとして図示している。
【００４３】
ＭＥＭＳミラー４１の大きさが制限されている（ミラー面４１１が例えば１．２ｍｍ角と小さい）ため、レーザプロジェクタ１では、ＭＥＭＳミラー４１の大きさに合ったビーム径になるように、ＧＩレンズ２６と投射レンズ３１との組合せによりビーム７１，７２を絞る。一般に、平行に配置したビームをレンズに入射させると各ビームはレンズの焦点を通るため、レーザプロジェクタ１では、ＭＥＭＳミラー４１は、投射レンズ３１の焦点距離ｆだけ投射レンズ３１から離れた位置に配置される。これにより、ミラー面４１１が小さくても、ビーム７１，７２がＭＥＭＳミラー４１で反射されるようにする。
【００４４】
ただし、シングルモードのファイバ２１，２２から出射されるＲＧＢレーザ光はガウシアンビームであるため、ＭＥＭＳミラー４１の位置でビーム径を絞りすぎると、投影面６０に達するまでにビームが発散してしまう。そこで、ＧＩレンズ２６のＮＡの値および位置と投射レンズ３１の位置を調整して、ビーム７１，７２がＭＥＭＳミラー４１の位置では１．２ｍｍ角のミラー面４１１に収まる程度に絞られ、かつ投影面６０の近傍にビームウェストが位置するようにする。すなわち、レーザプロジェクタ１は、いわゆるフォーカスフリーのプロジェクタではなく、ＧＩレンズ２６および投射レンズ３１を使用して投影面６０の近傍に各ビームのビームウェストの位置を合わせるように設計される。
【００４５】
また、通常、ＭＥＭＳミラー４１には、空気中で振動させる場合、大きさの制約条件があるため、ＭＥＭＳミラー４１でのビーム径を投影面６０で必要となる小さなビーム径に調整するために必要な面積を確保できない場合が生じる。その場合、図３には図示しないが、ＭＥＭＳミラー４１と投影面６０の間にさらにビーム径変換用またはフォーカス用の投射レンズを追加してもよい。
【００４６】
ガウシアンビームは、ビームウェストから先では、一定角度で発散し、ビームの出射部からの距離に比例して広がっていく光とみなすことができる。このため、フォーカスフリーのプロジェクタでは、ＭＥＭＳミラー４１の位置にビームウェストが来るように設計することで、出射部と投影面の間の距離にかかわらず、良好な画像を投影できるようにしている。しかしながら、フォーカスフリー設計では、出射部と投影面の間の距離が大きくなるほど、ビームの投射点が大きくなる。
【００４７】
一方、レーザプロジェクタ１では、ビーム７１，７２のビームウェストが投影面６０の近傍に位置するように設計されるため、フォーカスフリー設計の場合と比べて投射点の大きさを小さくすることができる。したがって、ＲＧＢレーザ光を多重化して１つのＭＥＭＳミラー４１で走査することにより、その多重度に応じて投影画像の分解能を上げることが可能になる。
【００４８】
また、レーザプロジェクタ１では、人間の目の分解能に対する相対的な投射点の大きさを小さくすることで、スペックルを低減させることも可能になる。人間の視細胞の分解能は４μｍ程度であり、立体角で表すと１分（＝１度／６０）程度の大きさになる。視聴者とスクリーンとの相対距離を調整し、投射点の立体角を小さくしてその立体角に複数の投射点を入れることができれば、それらの投射点は視細胞で分解できないため、網膜上で生じる個別のスペックルパタンの強度分布の空間平均（空間ダイバシティ）をとったのと同じ効果が得られる。例えば、視細胞の大きさに対応する立体角にｎ個の投射点を入れると、各点からの光強度の寄与が等しい理想的な場合、スペックルは１／√ｎに軽減される。
【００４９】
また、光の利用効率を高めるためには、ファイバ２１，２２の先端にＧＩレンズ２６を付けて、ファイバのＮＡを所定の大きさに小さくすることが好ましい。ファイバからのビームの出射角をθとすると、空気中の場合にはＮＡ＝ｓｉｎθと表される。シングルモードファイバのＮＡは０．１３程度である。シングルモードファイバの端部から直接ビームを出射させると、出射ビームが発散してしまうためケラレが生じ、投影画像が暗くなるという不具合がある。そこで、レーザプロジェクタ１では、ＧＩレンズ２６によりビームの出射角を制限することで、ＭＥＭＳミラー４１でのケラレを抑制する。
【００５０】
図４は、ＧＩレンズ２６によるビーム径の調整について説明する図である。図４では、ファイバ２１と、その先端に設けられたＧＩレンズ２６を示している。図示しないが、ファイバ２２についても同様である。例えば、ファイバ２１のコア２１１の直径は３．５μｍであり、出射端面でのビーム７１のモードフィールド径は４μｍである。ＧＩレンズ２６により、例えば、出射端面から２２５μｍの位置で、このビームのビーム径が５．６μｍになるようにする。
【００５１】
このように、レーザプロジェクタ１では、ＧＩレンズ２６を使ってファイバ２１，２２の外側にビームウェストを作り、投射レンズ３１に入射するときのビーム径を広げる。これにより、投射レンズ３１の先でビーム径を絞れるようにする。この構成にすることで、ＧＩレンズ２６がないときと比べて、光の利用効率を２０〜３０％程度向上させることが可能になる。
【００５２】
次に、レーザプロジェクタ１でのＲＧＢレーザ光の走査方法について説明する。レーザプロジェクタ１では、投影面６０上の投影領域を２つに分割し、２組のレーザ光（ビーム７１，７２）と２つの部分領域を対応させて走査を行う。
【００５３】
図５は、２組のビーム７１，７２を用いた走査方法の例を示した図である。投影面６０上の投影領域は、部分領域６１，６２に２分割されている。走査部４０は、例えば、ファイバ２１からのビーム７１により部分領域６１を走査し、ファイバ２２からのビーム７２により部分領域６２を走査する。図５では、ビーム７１，７２による走査線６３を複数の矢印で示している。部分領域６１，６２では、予め定められた単一の走査方向に片側（unidirectional）スキャンが行われる。図５の例では、右側の部分領域６１では−Ｘ方向（左向き）に、左側の部分領域６２では＋Ｘ方向（右向き）に、ビーム７１，７２の走査が行われる。図５に示したＸ，Ｙ方向は、図２に示したＸ，Ｙ方向に対応している。２つの部分領域６１，６２における走査方向は、互いに向かい合う方向である。
【００５４】
そして、走査部４０は、例えばＭＥＭＳミラー４１のＸ方向の共振駆動と連動して、走査線６３の単位で部分領域６１，６２を交互に走査する。そのために、制御部５０は、レーザ光源１０から、ビーム７１，７２を、走査線６３の単位で交互に出射させる。すなわち、制御部５０は、レーザ素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを点灯させ、レーザ素子１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂを消灯させることで、ビーム７１により部分領域６１上に１本の走査線６３を描かせる。次に、制御部５０は、レーザ素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを消灯させ、レーザ素子１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂを点灯させることで、ビーム７２により部分領域６２上に１本の走査線６３を描かせる。そして、制御部５０は、これらを繰り返すことで、走査部４０に部分領域６１，６２を交互に走査させる。
【００５５】
図６は、ＭＥＭＳミラー４１のＸ，Ｙ方向の走査角α，βとレーザ光源１０の点灯タイミングの関係を示したグラフである。各グラフの縦軸は走査角α，βであり、横軸は時間ｔである。図６に示すように、ＭＥＭＳミラー４１のＸ方向の走査角αは、共振駆動により正弦波状に時間変化し、Ｙ方向の走査角βは、鋸波状の強制駆動により鋸波状に時間変化する。制御部５０は、例えば、Ｘ方向の走査角αが増加する期間Ｔ１において、ビーム７１により部分領域６１上を走査させ、Ｘ方向の走査角αが減少する期間Ｔ２において、ビーム７２により部分領域６２上を走査させる。この制御により、図５に示した走査方法が実現される。
【００５６】
ただし、この走査方法では、図５に示すように、部分領域６１と部分領域６２の境界線Ｌ上において、部分領域６１，６２の間で各走査線６３の位置がＹ方向にずれる。このずれは、部分領域６１の走査線６３１を描くときと、これに対応する部分領域６２の走査線６３２を描くときで、ＭＥＭＳミラー４１のＹ方向の走査角βが異なることに起因する。このずれは画像歪みの原因になるため、レーザプロジェクタ１では、このような走査線６３のずれを打ち消す補正を行う。具体的には、走査線６３に垂直なＹ方向における各走査線６３の位置が２つの部分領域６１，６２の間で一致するように、２組のビーム７１，７２の出射方向に垂直な面内で、ファイバ２１，２２の並び方向が調整される。
【００５７】
図７は、走査線６３のずれの補正について説明する図である。図７に示すように、レーザプロジェクタ１では、ビーム７１，７２の出射方向に垂直な面内で、ファイババンドルコンバイナ２７を時計回りに角度δだけ回転させる。これにより、ビーム７１，７２の出射方向に垂直な面内におけるファイバ２１，２２の出射端面の位置を変化させて、ビーム７２に対するビーム７１の投射点の位置を＋Ｙ方向（上向き）にずらす。すると、部分領域６１の走査線６３１と、これに対応する部分領域６２の走査線６３２のＹ方向の位置が一致する。したがって、部分領域６１と部分領域６２の境界線Ｌ上における各走査線６３の位置ずれが打ち消される。ファイババンドルコンバイナ２７の回転角度δは、通常、走査線１本分に対応する大きさの角度なので、ごく微少量である。
【００５８】
なお、図示しないが、このとき、λ／２板２８の光学軸も、ファイババンドルコンバイナ２７と同じ向きに角度δ／２だけ回転させる。これにより、ファイバ２１，２２から出射されλ／２板２８を透過した各ビームがＳ偏光になるようにする。
【００５９】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、レーザプロジェクタ１の走査方法と別の走査方法を比較した図である。図８（Ａ）は、１つのビームを用いて、ＭＥＭＳミラーの共振駆動に合わせて、投影領域６５の全体を＋Ｘ方向と−Ｘ方向に交互に双方向走査する方法を示す。また、図８（Ｂ）は、２組のビームを用いたレーザプロジェクタ１の走査方法（すなわち、図５に示した走査方法）を示す。これらの図では、各走査線の方向を矢印で示している。
【００６０】
図８（Ａ）の双方向走査方法では、矢印で示すように、投射点が投影領域６５の境界に達したときに投射点の移動方向が反転する。すなわち、投影領域６５の境界でビームの折返しがある。図８（Ａ）の双方向走査方法の場合、仮にビームが目に入ったとすると、特に折返し点ではビームが同じ点に留まる時間が長くなるため、目に負担がかかる。したがって、この折返し点での照射量を考慮したレーザ出力とする必要がある。
【００６１】
これに対し、図８（Ｂ）の走査方法では、一方のビームによる投射点が中央の境界線Ｌ上に来るとそのビームは消え、他方のビームが部分領域の外側の端部に投影される。すなわち、レーザ素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂとレーザ素子１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂの点灯と消灯を切り替えるときに投射点の位置が不連続に飛ぶため、連続したビームの折返しがない。このため、図８（Ｂ）の走査方法は、投影領域全体を単方向に走査する方法（単方向走査方法）と等価である。また、図８（Ｂ）の走査方法では２組のビームを使用するが、これらは交互にオンオフされるため、同時に２組のビームが目に入ることはない。さらに、各部分領域では単方向走査となるため、双方向走査方法と比較して走査線の間隔の不均一性が非常に小さい。
【００６２】
例えばクラス２以下などの同一条件で図８（Ａ）と図８（Ｂ）の走査方法を比較した場合、図８（Ｂ）の走査方法では、目への安全性を確保した状態で、単方向走査方法と同様に高輝度化することができる。さらに、同じ走査角で図８（Ｂ）の走査方法と単方向走査方法を比較した場合、図８（Ｂ）の走査方法では、ダブルビーム走査にすることでＭＥＭＳミラー４１による実効的なビームの走査範囲を拡大できるため、その拡大分だけ、全体をさらに高輝度化することが可能になる。
【００６３】
なお、レーザプロジェクタ１では、２組のＲＧＢレーザ光を共通の走査部４０により走査したが、３組以上のＲＧＢレーザ光を使用してもよい。また、色域を広げるために、走査部４０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に加えて、例えばＹ（黄色）といった他の波長のレーザ光を含めたビームを走査してもよい。あるいは、走査部４０は、単色またはスペックル低減のため１０数ｎｍ以上中心波長が異なるほぼ同色のレーザ光を複数本、走査してもよい。また、波長域は可視光に限らず、走査部４０は、例えば赤外レーザ光などを複数本、走査してもよい。
【００６４】
図９は、４組のビーム７１〜７４を用いた走査方法の例を示した図である。図９では、投影面６０上の投影領域は、部分領域６１〜６４に４分割されている。そして、４本のファイバ２１〜２４から４組のＲＧＢレーザ光のビーム７１〜７４が出射され、これらのビームにより部分領域６１〜６４が走査される。走査部４０は、例えば、ファイバ２１からのビーム７１により部分領域６１を走査し、ファイバ２２からのビーム７２により部分領域６２を走査し、ファイバ２３からのビーム７３により部分領域６３を走査し、ファイバ２４からのビーム７４により部分領域６４を走査する。図９の例でも、各部分領域６１〜６４では、複数の矢印で示す予め定められた単一の走査方向に、片側スキャンが行われる。そして、走査部４０は、例えば、ＭＥＭＳミラー４１のＸ方向の共振駆動と連動して、走査線６３の単位で、部分領域６１，６３と部分領域６２，６４を交互に走査してもよいし、部分領域６１〜６４を順に走査してもよい。
【００６５】
以上説明したように、レーザプロジェクタ１では、投影領域を構成する各部分領域６１，６２を、その部分領域に対応するビーム７１，７２で、部分領域ごとに予め定められた単一の走査方向（＋Ｘ方向または−Ｘ方向）に沿って、共通の走査部４０により２次元状に走査する。これにより、例えばシングルビームのときの分解能が８００×６００画素であったとすると、レーザプロジェクタ１では、分解能を１６００×６００画素に上げることができる。その際、各部分領域６１，６２における走査線の間隔は、ファイババンドルコンバイナ２７とλ／２板２８を回転させることで微調整することが可能である。
【００６６】
また、レーザプロジェクタ１では、２本のビーム７１，７２を使用することにより、各ビームの走査角を実効的に広げることができる。また、ＧＩレンズ２６と投射レンズ３１を用いてビーム７１，７２のビームウェストを投影面６０の近傍に近付けることで、各投射点の大きさを縮小して、スペックルを低減させることも可能になる。その際、１０数ｎｍ波長の異なるほぼ同色の単色光を組み合わせたＲＧＢレーザ光源（各色複数）を用いれば、波長ダイバシティの効果によりさらにスペックルを低減させることが可能である。
【００６７】
レーザプロジェクタ１は、小型の装置で高精細の画像を投影できるため、ライトフィールドディスプレイなどの光学エンジン部に応用可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１    レーザプロジェクタ
１０    レーザ光源
２０    出射部
２１，２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ，２２，２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ    ファイバ
２６    ＧＩレンズ
２７    ファイババンドルコンバイナ
２８    λ／２板
３０    屈曲部
３１    投射レンズ
３２    偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３３    λ／４板
４０    走査部
４１    ＭＥＭＳミラー
５０    制御部
【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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【図９】
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