(57)【要約】本発明は、概して、電気的干渉による画像の歪みを減少させる装置および方法に関する。ドライブ内の共振周波数とドライブ周波数とライン周波数との間の電気的干渉は、ドライブ周波数とライン周波数とに関して調和しないように共振周波数を選択することによって減少される。本ドライブは、高い解像度のＶＧＡ品質の歪みのない画像をカラーで生成するために、ラスターパターンにおける選択された画素を照明させるように動作する軽量でコンパクトな画像投影モジュールにおいて有用である。
2008547055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影された画像における画像の歪みを減少させるための装置であって、
ａ）光ビームを生成する光源と、
ｂ）一対の振動可能な走査ミラーと、
ｃ）投影面において走査線のラスターパターンを形成するために、互いに直交する軸の周りで該走査ミラーを振動させるためのドライブアセンブリであって、各走査線は多数の画素を有し、該ドライブアセンブリは、実質的に一定のドライブ速度で該軸のうちの１つの周りを一円周方向に、該走査ミラーのうちの１つを動かすようにドライブ周波数で動作可能なドライブを含み、該１つの走査ミラーは、該ドライブ速度よりも大きい戻り速度で該１つの軸の周りを反対の円周方向に共振周波数で戻ることが可能である、ドライブアセンブリと、
ｄ）該投影面に該画像を形成するために該レーザビームによって、該走査線における選択された画素を照明して、視認可能なようにさせるためのコントローラと、
ｅ）該共振周波数と該ドライブ周波数との間で電気的干渉を減少させ、画像の歪みに抵抗するために、該ドライブ周波数に関して調和しないように該共振周波数を調節する手段と
を備えている、装置。
【請求項２】
前記光源は、前記光ビームとしてレーザビームを発するレーザである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ドライブは、前記１つの走査ミラーが取り付けられる屈曲部と、該１つの走査ミラーを前記１つの軸の周りで動かすために、該１つの軸の周りを、円周方向のうちの少なくとも一方向に該屈曲部を屈曲する手段とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記屈曲部は、前記１つの軸に沿って伸びる長手方向のねじれ部分を有し、各ねじれ部分は横方向の寸法を有しており、前記共振周波数は該横方向の寸法に依存する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ドライブは、供給ライン周波数によって起動され、前記調節手段はまた、該供給ライン周波数に関して調和しないように前記共振周波数を調節するように動作する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記供給ライン周波数は、５０Ｈｚおよび６０Ｈｚのうちの１つであり、前記ドライブ周波数は、６０Ｈｚおよび８５Ｈｚのうちの１つであり、前記共振周波数は、該供給ライン周波数および該ドライブ周波数の整数の倍数ではない、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
投影された画像における画像の歪みを減少させる方法であって、
ａ）光ビームを生成するステップと、
ｂ）投影面において走査線のラスターパターンを形成するために、互いに直交する軸の周りで一対の走査ミラーを振動させるステップであって、各走査線は多数の画素を有し、該振動させるステップは、実質的に一定のドライブ速度で該軸のうちの１つの周りを一円周方向に、該走査ミラーのうちの１つを動かすようにドライブ周波数で動作可能なドライブによって行われ、該１つの走査ミラーは、該ドライブ速度よりも大きい戻り速度で該１つの軸の周りを反対の円周方向に共振周波数で戻ることが可能である、ステップと、
ｃ）該投影面に該画像を形成するために該レーザビームによって、該走査線における選択された画素を照明して、視認可能なようにさせるステップと、
ｅ）該共振周波数と該ドライブ周波数との間で電気的干渉を減少させ、画像の歪みに抵抗するために、該ドライブ周波数に関して調和しないように該共振周波数を調節するステップと
を包含する、方法。
【請求項８】
前記光ビームは、レーザによって生成される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ドライブは、前記１つの走査ミラーが取り付けられる屈曲部を含み、該１つの走査ミラーを前記１つの軸の周りで動かすために、該１つの軸の周りを、円周方向のうちの少なくとも一方向に該屈曲部を屈曲するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記屈曲部は、前記１つの軸に沿って伸びる長手方向のねじれ部分を有し、各ねじれ部分は横方向の寸法を有しており、前記共振周波数は該横方向の寸法に依存する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
供給ライン周波数によって前記ドライブを起動するステップをさらに含み、前記調節するステップはまた、該供給ライン周波数に関して調和しないように前記共振周波数を調節するように動作する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記供給ライン周波数は、５０Ｈｚおよび６０Ｈｚのうちの１つであり、前記ドライブ周波数は、６０Ｈｚおよび８５Ｈｚのうちの１つであり、前記共振周波数は、該供給ライン周波数および該ドライブ周波数の整数の倍数ではない、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記調節するステップは、所定の値に前記横方向の寸法をエッチングすることによって行われる、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、電気的干渉による画像の歪みを減少させる装置および方法に関し、特に、低電力消費、高解像度、小型のコンパクトなサイズ、静かな動作および最低限の震動を維持しながら、カラーで二次元画像を投影するために動作するカラー画像投影システムにおける使用のための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラスターパターンに渡ってレーザビームを走査するために、それぞれのドライブによって互いに直交する方向に振動する一対の走査ミラーに基づいて、スクリーンに二次元画像を投影することが一般的に公知である。しかしながら、公知の画像投影装置は、一般的に、６４０ｘ４８０画素のビデオグラフィックスアレイ（ＶＧＡ）品質の四分の一を下回る限られた解像度を用いて画像を投影し、比較的多量の電力を消費し、比較的に重さが重く、比較的に大きい体積を占め、その結果、小さいハンドヘルドのバッテリ動作の用途における使用を非現実的なものにしている。画像はまた電気的干渉をうける。
【０００３】
例えば、走査ミラーのうちの１つに対するドライブは、ミラーと共に連帯して動くことが可能である永久磁石を含む。磁石とミラーとは、軸の周りでの振動を可能にする屈曲部に取り付けられる。電磁コイルは、ドライブ周波数を有する周期的なドライブ信号によって起動され、永久磁場と相互作用する電磁場を生成し、屈曲部を屈曲し、一定のドライブ速度で軸の周りを一方向に磁石を動かし、同時に走査ミラーを動かす。走査ミラーは、ドライブ速度よりも大きい戻り速度で軸の周りを反対の円周方向に向けて共振周波数で自動的に戻ることができる。
【０００４】
意図された目的には概ね満足ではあるが、上記の電磁ドライブは、歪みのない画像を投影するには理想的ではない。例えば、ドライブ信号のドライブ周波数、および／またはドライブを作動するためのＡＣ供給ライン周波数、および／またはドライブ周波数とライン周波数との調波は、共振周波数および互いに電気的に干渉し得、それにより一定のドライブ速度を損ない、画像の歪みをもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、画像の歪みを減少させる装置および方法を提供し、特に、システムから離れた広範な距離の範囲に渡って、鮮明で明るい二次元のカラー画像を投影する画像投影システムにおける使用のための装置を提供することが本発明の概略的な目的である。
【０００６】
本発明の別の目的は、このようなシステムにおいて使用されるドライブのドライブ周波数と共振周波数との間の電気的干渉を減少させることである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、このようなシステムにおいて使用されるドライブの供給ライン周波数と共振周波数との間の電気的干渉を減少させることである。
【０００８】
追加の目的は、異なる形状因子の様々な機器、特にハンドヘルドの機器において有用な、小さくコンパクトで軽量なエネルギー効率の良いポータブルのカラー画像投影装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらの目的および以下で明らかになる他の目的を踏まえて、本発明の１つの特徴は、簡潔に述べると、以下で述べるように、電気的干渉を最小化することによって、投影された画像における画像の歪みを減少させる装置および方法にある。光源、例えば単一のレーザは、単色の画像を作成するレーザビームを生成するように動作する。カラー画像に関しては、光源は、合成ビームとして配置される異なる波長（赤色、青色および緑色）の複数のレーザを含む。
【００１０】
ドライブアセンブリは、スクリーンのような投影面において走査線のラスターパターンを形成するために、互いに直交する軸の周りで一対の走査ミラーを振動させるために動作し、各走査線は多数の画素を有する。ドライブアセンブリは、実質的に一定のドライブ速度で軸のうちの１つの周りを一円周方向に、走査ミラーのうちの１つ（本明細書において時にはＹミラーとも呼ばれる）を動かすためにドライブ周波数で動作可能であり、ドライブ（本明細書において時にはＹドライブとも呼ばれる）を含む。Ｙミラーは、ドライブ速度よりも速い戻り速度で軸の周りを反対の円周方向に向けて共振周波数で自動的に戻ることができる。
【００１１】
好適には、プログラムされたマイクロプロセッサであるコントローラは、投影面に画像を形成するために、レーザビームによって走査線における選択された画素を照明させ、視認可能なように動作する。画像は二次元であり、Ｙドライブは、ラスターパターンの上側の走査線と下側の走査線との間で、ドライブ周波数、すなわちビデオのフレームレートで画像を「描くこと」を担う。さらに詳細には、上に記述されているように、Ｙドライブは、上側の走査線から下側の走査線まで実質的に一定のドライブ速度でＹミラーを駆動し、それからＹミラーは、時にはフライバック速度とも呼ばれるより速い戻り速度で、下側の走査線から上側の走査線に自動的に戻る。
【００１２】
（一般的には、６０Ｈｚまたは８５Ｈｚのビデオのフレームレートが一般的であるが、一般的な使用における他のフレームレートは、５６Ｈｚ、７２Ｈｚおよび７５Ｈｚである）ドライブ周波数の調波、および／またはＹドライブを起動するために使用される（一般的には、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである）ＡＣ供給ライン周波数の調波が、Ｙミラーの共振周波数にぴったりと一致する場合には、正弦曲線状の過渡が、Ｙミラーの実質的に一定のドライブ速度に重ねられ、それにより望ましからぬ画像の歪みをもたらす電気的干渉の可能性がある。本発明に従って、Ｙミラーの共振周波数は、ドライブ周波数およびライン周波数に関して調和しないように調節される。共振周波数は、ドライブ周波数およびライン周波数の整数の倍数にならないように選択される。共振周波数は、素早い戻りを確実にするためにはできる限り高くあるべきだが、電力消費を最小化するためにはできる限り低くなければならない。
【００１３】
好適な実施形態において、Ｙドライブは、支持に取り付けられるトート屈曲部を有する電磁ドライブである。屈曲部は、１つの軸に沿って伸びる一対のねじれ部分を有する。屈曲部は磁場の相互作用によって屈曲される。永久磁石が屈曲部に取り付けられ、電磁コイルが支持に取り付けられる。コイルに加えられる周期的なドライブ信号に応答して、磁石の永久磁場と相互作用する周期的な電磁場が生成される。
【００１４】
磁石と走査ミラーとは、ねじれ部分の中間にある屈曲部の支持部分に取り付けられることが好ましい。屈曲部は、軸に沿って間隔を空けられた端部を有する。端部のうちの一端は支持に固定される。端部のうちのもう一端は、屈曲部をピンと張った状態に張る手段を提供する。好適には、弾性のフラップが他端に形成される。このフラップは、支持に対して弾性的に支え、軸方向に互いから離れるようにピンと張った状態になるまで端部を押す。
【００１５】
動作において、磁石は上で記述されたような磁場の相互作用によって振動される。これは、屈曲部の支持部分と走査ミラーとを一円周方向に動かし、それにより一円周方向にねじれ部分をねじる。それから、ねじられたねじれ部分に格納されたエネルギーは解放され、それにより、反対の円周方向にねじれ部分のねじれを戻す。これらのねじり運動の間に、屈曲部はフラップによって常に引っ張られ、それにより一貫性のない意図しない屈曲運動が生じないことを確実にする。震動ダンパーが、所望されない震動を弱めるために使用され得る。
【００１６】
好適な実施形態において、共振周波数は、各ねじれ部分の横方向の寸法を制御することによって、ドライブ周波数とライン周波数とに関して調和しないように調節される。例えば、Ｙミラーの共振周波数が、ドライブ周波数とライン周波数との整数の倍数ではないように、横方向の寸法の厚さは選択される。横方向の寸法の厚さは、高度の正確性を達成するために、好適には、化学的エッチングによって制御される。共振周波数はまた、Ｙミラーの質量、永久磁石の質量、または屈曲部に使用される材料を調節することによって調節され得る。しかしながら、Ｙミラーの質量、永久磁石の質量、および屈曲部の材料を同じままにし、ねじれ部分の厚さだけを制御することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１の参照番号１０は、全体として、例えば携帯情報端末のようなハンドヘルドの機器を識別し、該ハンドヘルドの機器内に、図２に示されているような軽量でコンパクトな画像投影の装置２０が取り付けられ、機器から様々な距離で二次元のカラー画像を投影するように動作する。例として、画像１８が機器１０に対して作業範囲の距離の中で位置を定められる。
【００１８】
図１に示されているように、画像１８は、画像の水平方向に沿って伸びる光学的な水平方向の走査角度Ａと、画像の垂直方向に沿って伸びる光学的な垂直方向の走査角度Ｂとを渡って伸びる。以下で記述されるように、画像は、装置２０においてスキャナによって掃引される走査線のラスターパターン上の照明される画素と照明されない画素とから構成される。
【００１９】
機器１０の平行六面体の形状は、装置２０が実装され得る筐体の１つの形状因子を表しているだけである。機器は、例えば、２００２年３月４日出願の米国特許出願第１０／０９０，６５３号に示されているように、ペン、セルラー電話、クラムシェル、または腕時計のように形作られ得、該出願は、本出願と同じ譲受人に譲渡され、かつ、本明細書において参考として援用される。
【００２０】
好適な実施形態において、装置２０は体積が約３０立方センチメートル未満である。このコンパクトな小型のサイズは、搭載ディスプレイ１２と、キーパッド１４と、ウインドウ１６とを有する一部の筐体を含む、多種多様な形状の、大きいまたは小さい、ポータブルのまたは固定の筐体に、装置２０が取り付けられることを可能にし、該ウインドウ１６を通して画像は投影される。
【００２１】
図２および図３を参照すると、装置２０は半導体レーザ２２を含み、該半導体レーザ２２は起動されたときに、約６３５〜６５５ナノメートルの明るい赤色レーザビームを発する。レンズ２４は、正の焦点距離を有する両面非球面（ｂｉａｓｐｈｅｒｉｃ）凸レンズであり、赤色ビームにおいて事実上全てのエネルギーを収集し、回折が限定されるビームを生成するように動作する。レンズ２６は、負の焦点距離を有する凹レンズである。レンズ２４、２６は、例示されていないそれぞれのレンズホルダによって、機器１０の内側の支持（簡潔さのために、図２には例示されていない）上に離れて保持されている。レンズ２４、２６は、作業距離に渡って赤色ビームのプロフィールを形作る。
【００２２】
別の半導体レーザ２８が、支持の上に取り付けられ、起動されたときに、約４７５〜５０５ナノメートルで回折が限定された青色レーザビームを発する。別の両面非球面の凸レンズ３０と凹レンズ３２とが、レンズ２４、２６と同様の方法で青色ビームのプロフィールを形作るために利用される。
【００２３】
およそ５３０ナノメートルの波長を有する緑色レーザビームは、半導体レーザによっては生成されないが、その代わりに出力ビームが１０６０ｎｍである赤外線ダイオード励起ＹＡＧ結晶レーザを有する緑色モジュール３４によって生成される。非線形の周波数二倍化結晶が２つのレーザミラーの間の赤外線レーザキャビティに含まれる。キャビティの内側の赤外線レーザの出力は、キャビティの外側で結合される出力よりも非常に大きいので、周波数二倍器は、キャビティの内側で二倍化周波数の緑色の光を生成することにおいてより効率的である。レーザの出力ミラーは、１０６０ナノメートルの赤外線放射を反射し、二倍化された５３０ｎｍの緑色レーザビームを伝える。固体レーザおよび周波数二倍器の正しい動作は、正確な温度制御を必要とするので、ペルチェ効果に依存する熱電冷却器のような半導体デバイスが、緑色レーザモジュールの温度を制御するために使用される。熱電冷却器は、印加された電流の極性に従ってデバイスを加熱または冷却のいずれかを行い得る。サーミスターは、温度を監視するために緑色レーザモジュールの一部分である。サーミスターからの読み出しがコントローラに供給され、該コントローラは、それに応じて、熱電性の冷却器に対する制御電流を調節する。
【００２４】
以下で述べられるように、レーザは約１００ＭＨｚの周波数での動作においてパルス化される。赤色および青色の半導体レーザ２２、２８は、このような高い周波数で変調され得るが、現在利用可能な緑色固体レーザはパルス化され得ない。結果として、緑色モジュール３４を出る緑色レーザビームは、音響光学変調器（ＡＯＭ）３６を用いてパルス化され、該音響光学変調器（ＡＯＭ）３６は、緑色ビームを回折するために結晶の内側で音響定常波を作成する。しかしながら、ＡＯＭ３６は、ゼロ次の回折されていないビーム３８と、一次の変調された回折されたビーム４０とを生成する。ビーム３８、４０は互いから分かれ、それらを分離し、所望されないゼロ次のビーム３８を排除するために、ビーム３８、４０は、折り曲げミラー４２を有する、曲がった長い経路に沿って伝送される。代替的に、ＡＯＭは、緑色レーザビームをパルス化するために、緑色レーザモジュールに対して外部または内部のいずれかで使用され得る。緑色レーザビームを変調する他の可能な方法は、電場吸収変調またはマッハツェンダー干渉計を含む。ＡＯＭは図２に概略的に示されている。
【００２５】
ビーム３８、４０は、正のレンズ４４と負のレンズ４６とを通って伝送される。しかしながら、回折された緑色ビーム４０だけが、折り曲げミラー４８に衝突し、そこから反射することを可能にされる。回折されていないビーム３８は、好適にはミラー４８に取り付けられる吸収器５０によって吸収される。
【００２６】
装置は、走査アセンブリ６０に届く前に、緑色、青色、赤色のビームをできる限り同一線上にあるように配置させる一対のダイクロイックフィルタ５２、５４を含む。フィルタ５２は、緑色ビーム４０が通過することを可能にするが、青色レーザ２８からの青色ビーム５６は、干渉効果によって反射される。フィルタ５４は、緑色ビーム４０および青色ビーム５６が通過することを可能にするが、赤色レーザ２２からの赤色ビーム５８は干渉効果によって反射される。
【００２７】
ほぼ同一直線のビーム４０、５６、５８は、固定のバウンスミラー６２に向けられ、そこで反射される。走査アセンブリ６０は、第１の水平方向の走査角度Ａに渡ってバウンスミラー６２に反射されるレーザビームを掃引するために、第１の走査速度で、（図４〜図５に独立して示されている）慣性ドライブ６６によって振動可能である第１の走査ミラー６４と、第２の垂直方向の走査角度Ｂに渡って第１の走査ミラー６４に反射されるレーザビームを掃引するために、第２の走査速度で、電磁デバイス７０によって振動可能である第２の走査ミラー６８とを含む。異なる構成において、走査ミラー６４、６８は単一の二軸のミラーによって置換され得る。
【００２８】
慣性ドライブ６６は、高速の低電力消費のコンポーネントである。慣性ドライブの詳細は、２００３年３月１３日出願の米国特許第１０／３８７，８７８号に見つけられ得、該出願は本出願と同じ譲受人に譲渡され、本明細書において参考として援用される。慣性ドライブの使用は、走査アセンブリ６０の電力消費を１ワット未満に減少させ、以下で記述されるように、カラー画像を投影する場合には、１０ワット未満に減少させる。
【００２９】
ドライブ６６は、ヒンジによって走査ミラー６４を支持するための可動なフレーム７４を含み、該ヒンジは、一対の同一直線上にあるヒンジ部分７６、７８を含み、該ヒンジ部分７６、７８は、ヒンジの軸に沿って伸び、走査ミラー６４の対向する領域とフレームの対向する領域との間で接続されている。フレーム７４は、示されているように、走査ミラー６４を囲む必要はない。
【００３０】
フレーム、ヒンジ部分、および走査ミラーは、約１５０μの厚さである一片の概ね平坦なシリコン基板で製造される。シリコンは、上部の平行なスロットセクションと、下部の平行なスロットセクションと、Ｕ字形状の中央のスロットセクションとを有するオメガ形状のスロットを形成するようにエッチングされる。走査ミラー６４は、好適には、楕円形状を有し、スロットセクションにおいて自由に動く。好適な実施形態において、楕円形状の走査ミラーの軸に沿った大きさは、７４９μｘ１６００μの寸法を取る。各ヒンジ部分は、幅２７μかつ長さ１１３０μの寸法を取る。フレームは、幅３１００μかつ長さ４６００μの寸法を取る長方形形状を有する。
【００３１】
慣性ドライブは、概ね平坦なプリント回路基板８０上に取り付けられ、フレームを直接的に動かし、慣性によってヒンジの軸の周りで走査ミラー６４を間接的に振動させるように動作する。慣性ドライブの一実施形態は、一対の圧電性トランスデューサ８２、８４を含み、該トランスデューサ８２、８４は、基板８０に垂直に、かつヒンジ部分７６のいずれかの側において、フレーム７４の間隔を空けられた部分と接触するように延びる。各トランスデューサの一端と各フレーム部分との間の永久的な接触を確実にするために、接着剤が使用され得る。各トランスデューサの反対側の端部は、基板８０の背面から突出し、ワイヤ８６、８８によって周期的な交流電源（図示されず）に電気的に接続される。
【００３２】
使用において、周期的な信号が各トランスデューサに周期的なドライブ電圧を印加し、それぞれのトランスデューサを長手方向に交互に伸縮させる。トランスデューサ８２が伸び、トランスデューサ８４が縮むとき、およびその逆であるときには、それによって、間隔の空いたフレーム部分を同時に押したり引いたりし、フレームをヒンジの軸の周りでねじらせる。ドライブ電圧は、走査ミラーの共振周波数に対応する周波数を有する。走査ミラーがまた共振周波数でヒンジの軸の周りで振動するまで、走査ミラーは最初の停止位置から動く。好適な実施形態において、フレームと走査ミラーとは約１５０μの厚さであり、走査ミラーは高いＱ値を有する。各トランスデューザによる約１μの動きが、２０ｋＨｚを超える走査速度での走査ミラーの振動をもたらし得る。
【００３３】
別の対の圧電性のトランスデューサ９０、９２は基板８０に垂直に、かつヒンジ部分７８のいずれかの側でフレーム７４の間隔の空いた部分と永久的に接触するように延びる。トランスデューサ９０、９２は、フレームの振動運動を監視し、フィードバック制御回路（図示されず）にワイヤ９４、９６に沿って電気的なフィードバック信号を生成し、導くフィードバックデバイスとして作用する。
【００３４】
代替的に、フィードバックのために圧電性トランスデューサ９０、９２を使用する代わりに、磁気フィードバックが使用され得、磁石が高速ミラーの後に取り付けられ、外部のコイルが、振動する磁石によって生成される変化する磁場をピックアップするために使用される。
【００３５】
光は走査ミラーの外面で反射し得るが、金、銀、アルミニウム、または特別に設計された高反射性の誘電性のコーティングで作成される鏡面コーティングを用いて、ミラー６４の表面をコーティングすることが望ましい。
【００３６】
（図８において分解図で示され、図９において組み立て図で示された）電磁ドライブ７０は、屈曲部２００と第２の走査ミラー６８の背面とに接合するように取り付けられる永久磁石７１と、周期的なドライブ信号の受信に応答して周期的な磁場を生成するように動作する電磁コイル７２とを含む。コイル７２は磁石７１に隣接しており、その結果、周期的な磁場が永久磁場と磁気的に相互作用し、以下で詳細に記述されるように、磁石、同時に第２の走査ミラー６８を振動させる。
【００３７】
慣性ドライブ６６は、好適には５ｋＨｚを上回る、さらに好適には約１８ｋＨｚ以上の走査速度で、走査ミラー６４を高速で振動させる。この高い走査速度は、不可聴周波数であり、それによりノイズおよび震動を最小化する。電磁ドライブ７０は、過度なちらつきがなく画像が人間の網膜に残ることを可能にする充分な速さよりも小さい走査速度で、走査ミラー６８を振動させる。
【００３８】
より速いミラー６４は水平方向の走査線を掃引し、より遅いミラー６８は水平方向の走査線を垂直に掃引し、それによりほぼ平行な走査線のグリッドまたはシーケンスであるラスターパターンを作成し、該ほぼ平行な走査線のグリッドまたはシーケンスから画像が構成される。各走査線は多数の画素を有する。画像の解像度は、好適には、１０２４ｘ７６８画素のＸＧＡ品質である。限定された作業範囲を超えて、７２０ｐ、１２７０ｘ７２０画素を示す高精細度のテレビ規格を表示し得る。一部の用途においては、ＶＧＡ品質の二分の一の３２０ｘ４８０画素、またはＶＧＡ品質の四分の一の３２０ｘ２４０画素で充分である。最低でも、１６０ｘ１６０画素の解像度が所望される。
【００３９】
ミラー６４、６８の役割は逆にされ得、その結果、ミラー６８がより速くなり、ミラー６４がより遅くなる。ミラー６４は垂直方向の走査線を掃引するようにも設計され得、その場合、ミラー６８は水平方向の走査線を掃引する。さらに、慣性ドライブはミラー６８を駆動するために使用され得る。実際、いずれかのミラーが、電子機械的、電気的、機械的、静電気的、磁気的、または電磁的なドライブによって駆動され得る。
【００４０】
遅いミラーは、画像が表示される時間の間に、図１１に関して以下で記述されるように、一定速度の掃引モードで動作される。ミラーの戻りの間に、有意に高い固有周波数または共振周波数において、ミラーは最初の位置に掃引される。ミラーの帰路の間に、レーザは、デバイスの電力消費を減少させるために、パワーダウンされ得る。
【００４１】
図６は、図２の斜視図と同じ斜視図における装置２０の実際の実装である。上記のコンポーネントが、上部カバー１００と支持プレート１０２とを含む支持に取り付けられる。ホルダ１０４、１０６、１０８、１１０、１１２はそれぞれ、折り曲げミラー４２、４８と、フィルタ５２、５４と、バウンスミラー６２とを互いに一直線に保持している。各ホルダは、支持に固定して取り付けられる位置決めポストを受け取る複数の位置決めスロットを有する。従って、ミラーとフィルタとは正確に位置決めされる。示されているように、３つのポストがあり、それにより２つの角度調節と１つの横方向の調節とを可能にする。各ホルダは最終的な配置で接着され得る。
【００４２】
画像は１つ以上の走査線における画素の選択的な照明によって構成される。図７を参照してさらに詳細に以下で記述されるように、コントローラ１１４は、３つのレーザビームによって、ラスターパターンにおいて選択された画素を照明して、視認可能にさせる。例えば、赤色出力コントローラ１１６、青色出力コントローラ１１８、および緑色出力コントローラ１２０は、各選択された画素にそれぞれの光ビームを発するためにそれぞれ、赤色レーザ２２、青色レーザ２８、および緑色レーザ３４に電流を伝え、赤色レーザ２２、青色レーザ２８、および緑色レーザ３４を起動し、他の選択されていない画素を照明しないために、赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザに電流を伝えず、赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザを切断する。照明された画素と照明されない画素との結果としてのパターンは画像を含み、該画像は、人間または機械が読み取り可能な情報または図形の任意の表示であり得る。
【００４３】
図１を参照すると、ラスターパターンが拡大図で示されている。エンドポイントから開始すると、レーザビームが、慣性ドライブによって、反対側のエンドポイントに水平方向の走査速度で、水平方向に沿って掃引され、走査線を形成する。その結果、レーザビームは、電磁ドライブ７０によって、別のエンドポイントに垂直方向の走査速度で、垂直方向に沿って掃引され、第２の走査線を形成する。次の走査線の編成は同じ方法で進行する。
【００４４】
画像は、マイクロプロセッサ１１４または制御回路の制御の下で、出力コントローラ１１６、１１８、１２０の動作によって、選択された回数、断続的にレーザを起動またはパルス化することによって、ラスターパターンで作成される。レーザは可視光を生成し、所望の画像内の画素が見られることを所望されるときに点灯される。各画素の色は、一色以上のビームによって決定される。可視光のスペクトルにおける任意の色が、赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザのうちの１つ以上の選択的な重ね合わせによって形成され得る。ラスターパターンは、各走査線上の複数の画素と複数の線とで作られるグリッドである。画像は、選択された画素のビットマップである。全ての文字または数字、任意の図形設計またはロゴ、機械で読み取り可能なバーコード記号でさえも、ビットマップ画像として形成され得る。
【００４５】
図７に示されているように、垂直方向および水平方向の同期データと、画素およびクロックのデータとを有する入力ビデオ信号は、マイクロプロセッサ１１４の制御の下で、赤色バッファ１２２、青色バッファ１２４および緑色バッファ１２６に送られる。１つの最大のＶＧＡフレームの格納は数キロバイトを必要とし、２つの最大のフレームが、別のフレームが処理され投影される間に、１つのフレームが書き込まれることを可能にするように、バッファ内に充分なメモリを有することが望ましい。バッファリングされたデータは、速度プロファイラ１３０の制御の下でフォーマッタ１２８に送られ、そして赤色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３２、青色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３４および緑色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３６に送られ、走査によってもたらされる固有の内部的な歪み、および投影された画像の表示角度によってもたらされる幾何形状的な歪みを補正する。結果としての赤色デジタル信号、青色デジタル信号および緑色デジタル信号が、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１３８、１４０、１４２によって、赤色アナログ信号、青色アナログ信号および緑色アナログ信号に変換される。赤色アナログ信号および青色アナログ信号は、赤色レーザドライブ１４４および青色レーザドライブ１４６に供給され、該赤色レーザドライブ（ＬＤ）１４４および該青色レーザドライブ（ＬＤ）１４６はまた、赤色出力コントローラ１１６および青色出力コントローラ１１８に接続される。緑色アナログ信号は、ＡＯＭ無線周波数（ＲＦ）ドライブ１５０に供給され、次に、緑色レーザ３４に供給され、該緑色レーザ３４はまた、緑色ＬＤ１４８および緑色電力コントローラ１２０に接続される。
【００４６】
赤色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５８、青色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６０および緑色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６２に接続され、次にマイクロプロセッサ１１４に接続される赤色フォトダイオード増幅器１５２、青色フォトダイオード増幅器１５４および緑色フォトダイオード増幅器１５６を含むフィードバック制御がまた図７に示されている。Ａ／Ｄ変換器１６６に接続され、次にマイクロプロセッサに接続されるサーミスター増幅器１６４によって、熱が監視される。
【００４７】
走査ミラー６４、６８はドライブ１６８、１７０によって駆動され、該ドライブ１６８、１７０は、ＤＡＣ１７２、１７４からアナログドライブ信号を供給され、次に、該ＤＡＣ１７２、１７４はマイクロプロセッサに接続される。フィードバック増幅器１７６、１７８は、走査ミラー６４、６８の位置を検出し、フィードバックＡ／Ｄ１８０、１８２に接続され、次に、マイクロプロセッサに接続される。
【００４８】
電力管理回路１８４は、好適には、緑色レーザを常時オンにしたままで保ち、かつ、赤色レーザおよび青色レーザをレージングの閾値のすぐ下に保つことによって、高速のオンタイムを可能にしつつ、電力を最小化するように動作する。
【００４９】
走査ミラー６４、６８のいずれかが位置を外れていると検出された場合に、レーザ安全切断回路１８６は、レーザを止めるように動作する。
【００５０】
ここで、図８〜図９の電磁ドライブ７０を参照すると、上で記述された屈曲部２００は、平坦な支持部分２０２と、一対の平坦な同一直線上のねじれ部分２０４、２０６と、一対の平坦な端部２０８、２１０とを含む。屈曲部は、弾性材料の単一の細長片であり、好適には、約０．０２７ｍｍの厚さを有する鍛えられたステンレス鋼である。ねじれ部分の幅は約０．１２２ｍｍであり、このような寸法を有する屈曲部を機械加工することは可能であるが、この目的のためには、屈曲部を化学的にエッチングすることが好ましい。以下で記述されるように、走査ミラー６８の共振周波数を調節するように制御されるのは、ねじれ部分の横方向の寸法である。ねじれ部分は、以下で記述されるように、ねじれバーとして機能する薄く長いワイヤ状のストランドである。
【００５１】
ドライブ７０は、上部プレート２１２と下部プレート２１４とを有する成形されたプラスチックの支持を含み、該上部プレート２１２と該下部プレート２１４との間に、コイル７２は挟まれる。上部プレートは、上部開口と、狭い概ね長方形の窪み２２２に取り付けられた一対の直立した円筒形の位置決めピン２１８、２２０と、別の狭い窪み２２６に取り付けられた直立した突起２２４とを有する細長い窪んだ区画２１６を有する。
【００５２】
屈曲部２００は、上部プレート２１２に取り付けられ、区画２１６の上部開口に長手方向にかかる。磁石７１は、支持部分２０２の底側に取り付けられ、少なくとも部分的には、区画２１６の中にあり、それにより磁石７１をこれまでよりもコイルの近くで位置決め氏、ドライブに対して必要とされる全体的な垂直方向の高さを低くする。
【００５３】
端の領域２０８は、Ｅ字形状であり、ピン２２０、２１８をきちんと受ける一対のカットアウト２２８、２３０を有する。嵌め込み穴２３２、２３４は、液体の接着剤の導入が、狭い窪み２２２において端の領域２０８をしっかりと固定することを可能にする。
【００５４】
端の領域２１０は、長方形として形作られ、長手方向の切り込み２３６、２３８と横断方向の切り込み２４０とによって内部に形成され、それにより長方形のフラップ２４２を形作りかつ作成する。フラップ２４２は端の領域２１０と同一平面にある。しかしながら、例示の簡潔さのために、図８のフラップ２４２は、以下で記述されるように、ピンと張った状態で端の領域２１０の平面の上にある自由端２４４をより良く表示するために、湾曲された、圧縮された、または曲げられた状態で示されている。フラップ２４２は、自由端２４４に平行である蝶番式の端２４６において端の領域２１０に対して蝶番式に取り付けられる。
【００５５】
端の領域２１０が上部プレート２１２に取り付けられたときに、上記の突起２２４の上面２５０は、自由端２４４に隣接するフラップの下側に係合し、フラップを押し、例示された湾曲形状をとる。フラップが曲げられると、フラップは、端の領域２１０における長方形のカットアウト２４８を空にする。突起２２４はまた、曲がったフラップ２４２の湾曲に対して概ね補完的な外形である湾曲面２５２を有する。実際に、屈曲部がピンセットのような道具を用いて手動で設置された場合であっても、組み立ての間に、曲がったフラップ２４２が降伏点を越えて曲がらないことを確実にするように、湾曲面２５２は設計されている。言い換えると、このような永久的な歪みは、以下で記述されるように、フラップから屈曲部に対して必要な張力を提供することを奪い得るので、フラップに対して永久的な曲げを与えることは所望されない。さらに、落下イベント、つまり装置が偶発的に地面または他の固い面にぶつかったときに、装置が突然の衝撃と減速力とを経験する場合であっても、湾曲面２５２と湾曲したフラップ２４２との間の限られた隙間は、永久的な曲げがフラップには与えられないことを確実にする。
【００５６】
図９の組み立て図に示されるように、端の領域２１０が上部プレート２１２に平らに置かれると、自由端２４４は、突起２５０の直立した垂直面２５６と湾曲面２５２との間に形成されるコーナー２５４において、スナップ型の動きで捕らえられる。突起２２４は弾性的なフラップ２４２と協働して、屈曲部の長手方向に張力を加える。つまり、端の領域２１０は端の領域２０８から離れるように押される。この張力は、従来技術のように追加の別個のコンポーネントによって達成されるのではなく、その代わりに屈曲部に組み込まれるフラップによって達成される。屈曲部のねじれ部分をピンと張る反作用力を作り出すものは、フラップの圧縮または縮みである。
【００５７】
張力の加えられた屈曲部は、上に取り付けられた走査ミラー６８に対する復元スプリングとして働く。周期的なドライブ信号を用いたコイル７２の起動の間、周期的な電磁場が伝搬され、磁石７１の永久的な磁場と相互作用することにより、ねじれ部分２０４、２０６が伸びる軸に沿って一円周方向に磁石を動かす。磁石は、支持部分２０２と走査ミラー６８とを動かし、固定された端部２０８、２１０に対する軸の周りで一円周方向に、端部限界（ｅｎｄ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）走査位置までねじれ部分２０４、２０６をひねる。そこで、ひねられたねじれ部分に格納されたエネルギーが解放され、それにより支持部分２０２と走査ミラー６８とを動かし、固定された端部部分２０８、２１０に対する軸の周りで反対の円周方向に、ねじれ部分のひねりを戻す。このエネルギーの解放は、相互作用する磁場によって補助され得たり、補助され得なかったりする。いかなる場合においても、支持部分２０２および走査ミラーの運動は共振周波数で継続し、ねじれ部分２０４、２０６が、今回は、反対の円周方向に沿って別の端部限界走査位置までひねられる。このサイクルは繰り返され、それにより走査ミラー６８を振動し、端部限界走査位置の間で走査ミラー６８に入射する任意の光ビームを掃引する。屈曲部が引っ張られることを確実にすることによって、ミラーの走査運動は、繰り返すことが可能となり、信頼性があり、金属の屈曲部の膨張および収縮をもたらす周囲の温度変化に対して反応を示さない。
【００５８】
一対の震動ダンパー２５８、２６０が、端の領域２１０および上部プレート２１２に取り付けられる。ダンパーは、特定の周波数範囲内のあらゆる震動を弱めるように設計された粘弾性のダンパーとして作用する。ダンパーはまた、落下イベントの間に、屈曲部が突起２２４から取り除かれることに抵抗するために、端部領域２１０に対する追加の機械的固定具として作用する。
【００５９】
上に記したように、好適な実施形態において、本発明のコンパクトなドライブは、ラスターパターンを作成することにおいて、垂直方向つまりＹ軸方向のドライブとして使用される。これは、走査ミラーに入射する光ビームが、その長さがラスターパターンの水平方向つまりＸ軸方向に沿って伸びる走査線であるということを意味する。走査線の全長を収容するために、図８〜図９に示されているように、走査ミラー６８は長さが長く、高さが低い。しかしながら、長い走査ミラーはドライブの全長を増加させるので、従って、全長を減らし、それによりコンパクトな構成を達成するために、走査ミラーは、少なくとも部分的には、ねじれ部分２０４、２０６に重なるように設計される。このために、図１０に示されているように、走査ミラー６８の背部は、長手方向の窪み２６２を有し、その結果、ねじれ部分２０４、２０６は、重なる領域において走査ミラーに接触しない。
【００６０】
図１０に示されているように、走査ミラー６８はＴ字形状の断面を有し、プラスチックの押し出し成形部品またはガラスの伸ばし成形部品であることが好ましく、その上に反射ミラーコーティングがコーティングされる。長い押し出し成形が製造され、磨かれ、コーティングされ、ドライブ内での使用のために切断され得る。
【００６１】
図１１にグラフで描かれているように、走査ミラー６８は、ドライブサイクルの一部分の間に、電磁ドライブ７０によって実質的に一定の速度でドライブモードで駆動され、その時間の間に、画像の１つのフレームが表示される。例えば、これは、ラスターパターンにおける最も高い位置から最も低い位置まで、またはその逆の走査線の運動を表す。図１１はまた、ドライブサイクルの残りの部分の間に走査ミラーが戻るミラーのリターンモードを描く。これは、ラスターパターンにおける最も低い位置から最も高い位置まで、またはその逆の走査線の運動を表す。戻ることは、電力を保つために、走査ミラー６８の共振周波数で行われ、示されているように、ドライブモードの間のドライブ７０のドライブ周波数よりも速い。
【００６２】
数値的な例によって先に言及されたように、一般的なドライブ周波数、すなわちフレームレートは６０Ｈｚまたは８５Ｈｚであるが、５６Ｈｚ、７２Ｈｚおよび７５Ｈｚのような他の周波数がまた、多くの場合に使用される。電磁コイル７０を作動するためのＡＣライン周波数は、一般的に、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。ドライブ周波数またはライン周波数の調波が、走査ミラー６８の共振周波数にぴったりと一致する場合には、電気的干渉が存在し、図１２に描かれているように、正弦曲線状の過渡が、速度対時間のグラフの一定速度の部分に重ねられる。歪みのない画像は、ドライブモードの間、速度が実質的に一定であることが必要である。しかしながら、過渡は速度に関する変化をもたらし、それにより制御されず予測できないように画像を歪ませる。
【００６３】
本発明に従って、共振周波数は、可能である限りドライブ周波数またはライン周波数の調波から特定のトレードオフを受けるように調節される。共振周波数は、走査ミラー６８の素早い戻りを確実にするためにできる限り高くあるべきだが、ドライブ７０による電力消費を最小化するようにできる限り低くあるべきである。好適な実施形態において、共振周波数は、２７０〜２８０Ｈｚの範囲にあるように選択される。
【００６４】
走査ミラー６８の共振周波数は、ミラー６８の質量、および／または磁石７１の質量、および／または屈曲部２００の材料のような要素を変更することによって調節可能である。しかしながら、このような要素を一定に維持し、その代わりにねじれ部分２０４、２０６の厚さおよび／または幅を変化させることが好ましい。上に記されたように、ねじれ部分のごくわずかな厚さは約０．０２７ｍｍであり、幅は約０．１２２ｍｍである。これらの横方向の寸法を達成するために化学的エッチングが、ドライブ周波数およびライン周波数の整数の倍数ではない所望の共振周波数を取得するために好まれる。
【００６５】
図１３は、一円周方向に実質的に一定の速度で走査ミラー６８を駆動し、反対の円周方行に共振周波数で素早く元に戻る運動を可能にするように動作するドライブ回路の実施形態を描く。フィードバックユニット３００は、フィードバック信号から速度および位置の情報を抽出し、誤差増幅器３０４への入力のための速度信号と、コンパレータ３０６への入力のための位置信号とを生成する。フィードバックユニット３００は、一般的に、磁石７１の近位に取り付けられ、かつ、フィードバック信号を生成するように動作するフィードバックコイルを含み、該フィードバック信号は、ドライブコイル７２によって生成されたドライブ信号を追跡する。
【００６６】
ミラーコントローラ３０２は望ましい速度を設定し、ミラーの速度信号との比較のために、誤差増幅器３０４に基準速度信号を出力する。走査増幅器３０４の出力はミラードライバ３０８に供給され、該ミラードライバ３０８は、コントローラ３０２によって設定された基準速度に一致するように走査ミラーの速度を継続的に調節するために、ドライブコイル７２に対して出力ドライブ電流を生成する。
【００６７】
コントローラ３０２はまた、端部限界位置を設定し、ミラーの位置信号との比較のために、コンパレータ３０６に対して端の位置の信号を出力する。コンパレータ３０６の出力はまた、ミラードライバ３０８に供給される。ミラーの位置の信号が、端部位置の信号に一致するときには、ミラードライバ３０８は、高いインピーダンスの状態に切り換えられ、それによりドライブコイル７２に対する出力ドライブ電流の流れを防ぐ。従って、走査ミラー６８は、ひねられたねじれ部分に格納されたエネルギーによって、共振周波数で自由であるように設定される。走査ミラーが、反対側の端部限界位置に到達したときには、コンパレータ３０６はミラードライバ３０８を戻るように切り替え、新たなドライブサイクルが開始する。
【００６８】
図１４の実施形態は図１３の実施形態と同様であるが、ミラードライバ３０８が、ミラーコントローラ３０２の完全な制御下にある点で異なる。この実施形態において、ドライバ３０８を継続的に調節する代わりに、コントローラ３０２が、連続するサイクルに対してわずかな増分変更をさせる間に、所定のサイクルを繰り返す。任意的に、コントローラ３０２は、ホストコントローラからの垂直方向の同期パルスに同期される。
【００６９】
新規的であると主張され、かつ、特許証によって保護されることが所望されることが、添付の特許請求の範囲において述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、機器からの作業範囲において画像を投影するハンドヘルドの機器の斜視図である。
【図２】図２は、図１の機器における設置のための画像投影システムの拡大俯瞰斜視図である。
【図３】図３は、図２のシステムの上部平面図である。
【図４】図４は、図２のシステムにおける使用のための慣性ドライブの正面斜視図である。
【図５】図５は、図４の慣性ドライブの背面斜視図である。
【図６】図６は、図２のシステムの実際の実装の斜視図である。
【図７−１】図７は、図２のシステムの動作を描いている電気接続ブロック図である。
【図７−２】図７は、図２のシステムの動作を描いている電気接続ブロック図である。
【図８】図８は、図６のシステムにおいて使用されるような、本発明に従ったコンパクトなドライブの分解図である。
【図９】図９は、図８のドライブの組み立て図である。
【図１０】図１０は、図９の切断線１０-１０から取られた拡大断面図である。
【図１１】図１１は、電気的干渉のない状況の下における図８のドライブに関する速度対時間を描いているグラフである。
【図１２】図１２は、図１１に類似するグラフであるが、電気的干渉の影響を示している。
【図１３】図１３は、図８のドライブを駆動するためのドライブ回路である。
【図１４】図１４は、図８のドライブを駆動するための別のドライブ回路である。
【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７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008547055.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2008547055.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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