(57)【要約】軽量でコンパクトな画像投影モジュールで、特に光透過性のウィンドウを有する筐体内の装着するためのモジュールは、ラスタパターン内の選択されたピクセルを照明させて、カラーでＶＧＡ品質以上の高解像度の画像を生成するように動作可能である。レーザビーム集束配列は、集束レンズの機械軸を光軸と整列して、その光軸に沿って、レーザビームは向けられ、ポインティングエラーを低減する。本システムによって、このシステムから離れた距離にある拡大された範囲全体にわたって、シャープでクリアな二次元カラー画像を投影する画像投影システムが提供される。
2008537162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム集束配列であって、
ａ）光軸に沿ってレーザビームを発するレーザと、
ｂ）機械軸を有し、該レーザビームを集束するように動作可能な集束エレメントと、
ｃ）該光軸に垂直な平面内で動きの自由を有する該レーザに対して、該集束エレメントを調節可能に装着することによって、該機械軸を該光軸と一致するように整列する手段と
を備える、集束配列。
【請求項２】
前記レーザを静止するように支持するサポートをさらに備え、
前記整列する手段は、前記集束エレメントを保持するためのホルダを含み、
該ホルダは、前記集束エレメントが該レーザに対し動く調整位置と、該集束エレメントが該レーザに対して固定される固定位置との間の動きのために、該サポート上に装着される、請求項１に記載の集束配列。
【請求項３】
前記サポートは、区画を仕切るように、互いに間隔を空けて置かれたサポート部材を含み、前記ホルダは、該区画内に装着され、該サポート部材でギャップを仕切る、請求項２に記載の集束配列。
【請求項４】
前記ホルダは、中空の管状のスリーブであり、該スリーブは、前記集束エレメントが装着される内部と、少なくとも一つの突起部が前記ギャップにわたって半径方向に延び、前記サポート部材と係合する外壁とを有する、請求項３に記載の集束配列。
【請求項５】
前記外壁は、前記機械軸の周囲に等角となるように配列された複数の突起部を有する、請求項４に記載の集束配列。
【請求項６】
前記サポート部材の少なくとも一つは、前記区画に延び、ツールが前記ホルダを前記調整位置のうちの一つに動かせることを可能にするツールアクセス通路を有する、請求項４に記載の集束配列。
【請求項７】
前記サポート部材の少なくとも一つは、前記区画に延びる接着剤入口と、該入口を介して投入され、硬化すると、前記固定位置に前記ホルダを固定する硬化可能な接着剤とを有する、請求項４に記載の集束配列。
【請求項８】
前記ホルダは、所定の波長の光を透過する材料から構成され、前記接着剤は、前記ホルダを介して該透過された該光への露光によって、硬化される、請求項７に記載の集束配列。
【請求項９】
前記ホルダは、前記平面内を互いに直交する少なくとも２つの方向に沿った動きの自由を有する前記サポート上に装着され、該ホルダもまた、前記光軸に沿った軸方向の動きのために該サポート上に装着される、請求項２に記載の集束配列。
【請求項１０】
前記ホルダは、該ホルダ内に埋め込まれたガラス繊維を有するプラスチック材料から構成され、該ガラス繊維は、前記機械軸に対して概ね平行に向けられている、請求項７に記載の集束配列。
【請求項１１】
前記レーザは、前記レーザビームが４３０〜６５５ｎｍの範囲の波長を有する半導体レーザであり、前記集束エレメントは、４ｍｍを超えない焦点距離を有する非球面レンズである、請求項１に記載の集束配列。
【請求項１２】
前記レーザビームをまた集束するための別の集束エレメントをさらに備え、該別の集束エレメントは、前記ホルダ内に装着された管内に装着され、前記第一に述べた集束エレメントと間隔を空けて置かれる、請求項２に記載の集束配列。
【請求項１３】
前記管は、前記光軸に沿った動きの自由を有する前記ホルダを係合するために弾性的な部分を有する、請求項１２に記載の集束配列。
【請求項１４】
レーザビームを集束して、整列する方法であって、
ａ）レーザにエネルギを与えることによって、光軸に沿ったレーザビームを発するステップと、
ｂ）機械軸を有する集束エレメントを用いて、該レーザビームを集束するステップと、
ｃ）該光軸に垂直な平面内で動きの自由を有する該レーザに対して、該集束エレメントを調節可能なように装着することによって、該機械軸を該光軸と一致するように整列するステップと
を包含する、方法。
【請求項１５】
前記整列するステップは、前記集束エレメントを前記平面内に少なくとも２つの互いに垂直な方向に沿って動かすことと、該集束エレメントを前記レーザに対する固定位置に固定することとによって実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記動かすステップは、ツールを用いて前記集束エレメントを保持するために、ホルダを押すことによって実行され、前記固定するステップは、該ホルダの周囲に硬化可能な接着剤を導入することによって実行される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
画像投影の間に、レーザビームを集束して、整列するための配列であって、
ａ）サポートと、
ｂ）該サポートによって支持され、異なる波長の複数のレーザビームを発するレーザアセンブリであって、該レーザアセンブリは、光軸に沿って該複数のビームのうちの少なくとも一つを発する少なくとも一つのレーザを含む、レーザビームアセンブリと
ｃ）該サポートによって支持され、該サポートからの作動距離で、空間内で走査線のパターンを掃引するスキャナであって、各走査線は多数のピクセルを有する、スキャナと、
ｄ）該レーザアセンブリおよび該スキャナに動作可能なように接続され、選択されたピクセルを該レーザビームによって照明し、目に見えるようにして、画像を生成させる、コントローラと、
ｅ）該レーザアセンブリと該スキャナとの間の該サポートによって支持され、該複数のレーザビームを集束し、実質的に同一直線上に配列して、該スキャナに向けられている複合ビームを形成する光学アセンブリであって、該光学アセンブリは、機械軸を有し、該少なくとも一つのビームを集束するように動作可能な少なくとも一つの集束エレメントと、該光軸に垂直な平面内で動きの自由を有する該少なくとも一つのレーザに対して、該少なくとも一つの集束エレメントを調節可能なように装着することによって、該機械軸を該光軸と一致するように整列する手段とを含む、光学アセンブリと
を備える、配列。
【請求項１８】
前記少なくとも一つのレーザは、赤色半導体レーザと青色半導体レーザとのうちの一つであり、前記集束エレメントは、レンズである、請求項１７に記載の配列。
【請求項１９】
前記サポートは、内部区画を有するシャシであり、
前記光学アセンブリは、該シャシの該内部区画内で、前記少なくとも一つの光学エレメントを保持するためのホルダを含み、
該シャシは、該ホルダを動かすことを可能にするツールアクセスポートと、該ホルダを該内部区画内の位置に固定させることを可能にする接着剤アクセスポートとを有する、請求項１７に記載の配列。
【請求項２０】
前記ホルダは、前記光軸に沿って可動である、請求項１９に記載の配列。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、特にカラー画像投影システムに使用される１つ以上のレーザビームを集束し、整列することに関する。このシステムにおいて、異なる波長のレーザビームが、システムから離れた画面上にカラーで二次元画像を投影するために使用される。
【背景技術】
【０００２】
互いに直交する方向に振動して、ラスタパターン上でレーザビームを走査する一対の走査ミラーに基づいて、スクリーン上に二次元画像を投影することは、一般的に公知である。しかしながら、公知の画像投影システムは、典型的には、６４０×４８０ピクセルのビデオグラフィックアレイ（ＶＧＡ）品質の四分の一未満の限られた解像度で、トゥルーカラーを有しない画像を投影する。
【０００３】
トゥルーカラー画像を得るためには、レーザによって発せられる赤色、青色、および緑色のレーザビームが必要とされる。このようなビームの波長は、極端に小さい。例えば、赤色レーザビームは、６３５〜６５５ｎｍのオーダーの波長を有し、青色レーザビームは、４３０〜５０５ｎｍのオーダーの波長を有する。これらの非常に短い波長ビームは、レンズを非常に高い精度で焦点合わせすることによって集束させ、レーザによって発せられたエネルギの実質的に全てを収集し、投影される画像におけるブラー（ｂｌｕｒ）および収差を避けなくてはならない。各集束レンズは、機械軸または中心化（ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）軸を有し、その軸は、それぞれのレーザビームが向けられる光軸と一致するように、正確に整列されなくてはならない。現在の精密製造およびアセンブリの技術によって、必要な中心化精度を達成することは、あまりにも困難で、あまりにも高価であるので、中心化軸と光軸との間で許容可能でないポインティングエラーが生じることは不可避であり、このため、投影画像を劣化することは、経験によって示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の全体的な目的は、画像投影システムであって、このシステムから離れた距離にある拡大された範囲全体にわたって、シャープでクリアな二次元カラー画像を投影する画像投影システムを提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、光軸に沿ってレーザビームを集束することと、集束レンズの中心化軸を光軸と一致するように正確に整列することとである。
【０００６】
本発明のさらに別の目的は、このようなシステムによって投影されるカラー画像の解像度を向上させることである。
【０００７】
本発明のまた別の目的は、ブラー、収差、ポインティングエラーによって生じる劣化を、たとえ排除できないにしても、低減する一方で、レーザビームを発するレーザから発せられるエネルギの実質的全てを依然として収集することである。
【０００８】
追加の目的は、種々の形状因子を有する多数の装置において有用であって、小型でコンパクトで軽量で携帯可能なカラー画像投影配列を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらの目的と、本明細書の中で、以下で明らかにされる他の目的とを考慮すると、本発明の一つの特徴は、簡略に述べると、レーザビーム集束配列であって、該レーザビーム集束配列は、光軸に沿ってレーザビームを発するためのレーザと、機械軸または中心化軸を有し、該レーザビームを集束するように動作可能な集束エレメントと、該光軸に垂直な平面内で動きの自由を有する該レーザに対して、該集束エレメントを調節可能なように装着することによって、該機械軸を該光軸と一致するように整列する手段とを備える。この動きの自由によって、高精度な製造およびアセンブリの技術を要求することなく、機械軸と光軸との間での整列の失敗によって生じるポインティングエラーを、たとえ排除できないにしても、低減できる。
【００１０】
本発明の上記レーザビーム集束配列は、二次元カラー画像を投影する画像投影システムに、特にメリットがある。該システムは、サポートと；赤色レーザビーム、青色レーザビーム、および緑色レーザビームをそれぞれ発する複数の赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザと；該複数のレーザビームを同一直線上に配列して、合成ビームを形成するための光学アセンブリと；該サポートからの作動距離で、空間内で走査線のパターンとして、該合成ビームを掃引するためのスキャナであって、各走査線は多数のピクセルを有する、スキャナと；選択されたピクセルを該レーザビームによって照明し、目に見えるようにして、該カラー画像を生成させる、コントローラとを備える。結果として得られる画像が、ブラー、収差、および低解像度を有さないようにするために、これらのレーザビームの非常に短い波長は、これらのビームの機械軸と光軸との間の精度よい整列を要求する。
【００１１】
好ましい実施形態において、上記スキャナは、全体的に相互に直交する方向に沿って、種々の走査レートで、種々の走査角で、上記合成ビームを掃引するために、一対の振動可能な走査ミラーを含む。該走査レートのうちの少なくとも一つは、ノイズを低減するために、可聴周波数を超え、例えば、１８ｋＨｚである。該走査ミラーの少なくとも一つは、電力消費を最小化するために、慣性ドライブによって駆動される。画像解像度は、好ましくは、ＶＧＡ品質の四分の一を超えるが、典型的には、ＶＧＡ品質と同等であるか、あるいはそれ以上である。上記サポート、レーザ、スキャナ、コントローラ、および光学アセンブリは、好ましくは、約３０ｃｍ３未満の体積を占める。
【００１２】
上記配列は、種々の形状因子の筺体の中に、相互に置換されるように装着可能であり、該形状因子は、ペン状、ガン（ｇｕｎ）状、あるいは懐中電灯状の装置、携帯情報端末、ペンダント、腕時計、コンピュータ、そして、要するに、そのコンパクトで小型のサイズである任意の形状を含むが、これらに限定されない。投影された画像は、広告またはサイン伝達の目的で、あるいはテレビまたはコンピュータのモニタ画面に、そして、要するに、何かを表示されるべきと欲する任意の目的で使用され得る。
【００１３】
本発明の一局面に従うと、上記レーザの少なくとも一つ、例えば、赤色レーザおよび／または青色レーザは、上記サポート上に静止するように装着され、そして、上記集束エレメントを保持するためのホルダは、上記集束エレメントが該レーザに対して動く調整位置と、該集束エレメントが該レーザに対して固定される固定位置との間を動くために、該サポート上に装着される。該ホルダは、該サポートの内部区画の中で受けられ、一対の対向するサポート部材で、ギャップを仕切る。突起部が、好ましくは、複数の突起部が、該ホルダから該ギャップにわたって延び、該サポート部材と接触する。これらの突起部は、該調整位置のいずれにおいても、該ホルダと該サポートとの間の係合する唯一のソースを構成する。
【００１４】
上記サポートは、上記サポート部材の少なくとも一つを介して延びる少なくとも一つのツールアクセス通路を、好ましくは、複数のツールアクセス通路を有する。ツールが、該ツール通路のそれぞれを通って挿入され、上記ホルダと接触して、上記調整位置のうちの所望の一つまで、該ホルダを押す。該ホルダは、上記突起部の周りを旋回する。該サポートはまた、該サポート部材の少なくとも一つを介して延びる少なくとも一つの接着剤入口通路を、好ましくは、複数の接着剤入口通路を有する。これによって、該ホルダを取り囲む上記ギャップの中に、該接着剤入口通路のそれぞれを通って硬化可能な接着剤を導入することを可能にするためである。該接着剤が、該ホルダの周りで一度硬化すると、該ホルダは、上記機械軸が上記光軸と一致して整列される上記固定位置に固定される。
【００１５】
好ましくは、上記接着剤は、紫外線（ＵＶ）光によって、硬化可能である。上記ホルダは、このような硬化を促進するために、ＵＶ光を通す材料から、有利に構成される。該ホルダもまた、合成プラスチック材料に埋め込まれたガラス繊維から、有利に構成される。好ましくは、該ガラス繊維は、上記機械軸に対して、概ね平行に向けられる。温度変化する間に、上記レーザと該ホルダとの間の相対的な線形な動きを最小化するために、該レーザの線形熱膨張係数と合致する線形熱膨張係数を付与するように、ガラス繊維の量は、制御される。
【００１６】
上述のように、上記ホルダは、少なくとも上記平面内の２つの互いに直交する方向に沿って動くことが自由であり、さらに、光軸に沿って軸方向に動くことも自由である。これらの動きの自由によって、機械軸と個々のレーザの光軸との間での非常に精密な整列が可能になり、最適な画像を確保する。
【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、例えば、携帯情報端末であるハンドヘルド装置を全体で特定し、この装置の中に、図２に示されるような軽量でコンパクトな画像投影配列２０が、装着され、この配列は、この装置から可変距離で二次元カラー画像を投影するように動作可能である。一例として、画像１８は、装置１０に対する距離の作動範囲内に位置される。
【００１８】
図１に示されるように、画像１８は、その画像の水平方向に沿って拡がる光学水平走査角Ａにわたって拡がり、垂直方向に沿って拡がる光学垂直走査角Ｂにわたって拡がる。以下に記載されるように、画像は、配列２０内のスキャナによって掃引されたラスタパターンの走査線上の照明されたピクセルと照明されていないピクセルとからなる。
【００１９】
装置１０の平行六面体形状は、配列２０がインプリメントされ得る筺体の単なる一つの形状因子を示す。この装置は、例えば、本出願と同じ譲受人に譲渡され、本明細書に参考として援用される米国特許出願第１０／０９０，６５３号（２００２年３月４日出願）に示されるように、ペン、セルラ電話、クラムシェル、または腕時計として形作られ得る。
【００２０】
好ましい実施形態において、配列２０は、体積において、約３０ｃｍ３未満である。このようにコンパクトでミニチュアサイズであることによって、配列２０は、大型または小型の、携帯型または固定型の多数の様々な形状の筺体の中に装着されることが可能になり、それらの筺体の一部は、オンボードディスプレイ１２、キーパッド１４、および投影される画像が通過するウィンドウ１６を有する。
【００２１】
図２および図３を参照すると、配列２０は、半導体レーザ２２を含み、この半導体レーザ２２は、電力を与えられるとき、約６３５〜６５５ｎｍで、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双非球面（ｂｉａｓｐｈｅｒｉｃ）凸レンズであり、赤色ビーム内の実質的に全てのエネルギを収集し、回折限界ビームを生成するように動作可能である。レンズ２６は、負の焦点距離を有する凹レンズである。図８に最適に示されるように、レンズ２４、２６は、装置１０の内側のサポート（明瞭にするために、図２に図示せず）上で離れたそれぞれのレンズホルダによって、保持される。レンズ２４、２６は、赤色ビームプロファイルを作動距離にわたって形作る。
【００２２】
別の半導体レーザ２８は、サポート上に装着され、電力を与えられるとき、約４３０〜５０５ｎｍで、回折限界青色レーザビームを発する。別の双非球面凸レンズ３０および凹レンズ３２が、レンズ２４、２６と同様の方法で、青色ビームプロファイルを形作るために用いられる。
【００２３】
５３０ｎｍのオーダーに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生成されず、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（ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ）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。非線形周波数倍増結晶は、２つのレーザミラーの間の赤外線レーザキャビティの中に含まれる。このキャビティ内側の赤外線レーザパワーは、キャビティ外側で結合されるパワーより、かなり大きいので、周波数二倍器は、キャビティ内側に二倍周波数緑色光を生成するのに、より効率的である。レーザの出力ミラーは、１０６０ｎｍの赤外線放射に反射性であり、倍増された５３０ｎｍの緑色レーザビームに透過性である。ソリッドステートレーザおよび周波数二倍器の較正動作は、正確な温度制御を要求するので、ペルチエ効果による半導体デバイスは、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、付与される電流の極性に依存して、デバイスを加熱するか、あるいは冷却するかのいずれかであり得る。サーミスタは、緑色レーザモジュールの一部であり、そのモジュールの温度をモニタするためにある。サーミスタからの読み出しは、コントローラに供給され、コントローラは、それにしたがって、熱電冷却器への制御電流を調整する。
【００２４】
以下に説明されるように、レーザは、１００ＭＨｚのオーダーの周波数での動作において、パルス駆動される。赤色半導体レーザ２２および青色半導体レーザ２８は、このような高周波数でパルス駆動され得るが、現在利用可能な緑色ソリッドステートレーザは、そのようにされ得ない。その結果、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３６を用いてパルス駆動され、変調器３６は、緑色ビームを回折する結晶の内側に、音響定常波を生成する。しかしながら、変調器３６は、ゼロ次非回折ビーム３８と、一次パルス回折ビーム４０とを生成する。ビーム３８、４０は、互いから発散する。これは、両ビームを分離して、望まれないゼロ次ビーム３８を除去するためであり、ビーム３８、４０は、折り返しミラー４２を有する長い折り返しのある経路に沿ってルーティングされる。代替として、電気光学変調器は、緑色レーザビームをパルス駆動するために、緑色レーザモジュールに対して外側、あるいは内側のいずれかで使用され得る。緑色レーザを変調する他の可能な方法は、電界吸収変調、またはマッハツェンダ干渉計を含む。ビーム３８、４０は、正のレンズ４４および負のレンズ４６を通過して、ルーティングされる。しかしながら、回折された緑色ビーム４０のみが、折り返しミラー４８に衝突すること、折り返しミラー４８から反射することを許容される。回折されなかったビーム３８は、好ましくはミラー４８上に装着された吸収器５０によって吸収される。
【００２５】
この配列は、一対の二色性フィルタ５２、５４を含み、二色性フィルタ５２、５４は、緑色ビーム、青色ビーム、および赤色ビームが、走査アセンブリ６０に到達する前に、これらのビームを、できるだけ同一直線上にする。フィルタ５２は、緑色ビーム４０がその中を通過することを許容するが、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がその中を通過することを許容するが、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。
【００２６】
ほぼ同一直線状のビーム４０、５６、５８は、固定バウンドミラー６２に向けられ、固定バウンドミラー６２から反射して離れる。走査アセンブリ６０は、第一の水平走査角Ａにわたってバウンドミラー６２で反射するレーザビームを掃引するように、第一の走査レートで慣性ドライブ６６（図４〜図５に個別に図示）によって、振動させられ得る第一の走査ミラー６４と、第二の垂直走査角Ｂにわたって第一の走査ミラー６４から反射して離れるレーザビームを掃引するように、第二の走査レートで電磁ドライブ７０によって振動させられ得る第二の走査ミラー６８とを含む。別種の構成において、走査ミラー６４、６８は、単一の二軸ミラーによって置換され得る。
【００２７】
慣性ドライブ６６は、高速低電力消費コンポーネントである。慣性ドライブの詳細は、本出願と同じ譲受人に譲渡され、本明細書に参考として援用される米国特許出願第１０／３８７，８７８号（２００３年３月１３日出願）に見出され得る。慣性ドライブを使用すると、走査アセンブリ６０の電力消費を１Ｗ未満に低減し、カラー画像を投影する場合、以下に記載されるように、１０Ｗ未満に低減する。
【００２８】
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フレーム７４を含み、ヒンジは、ヒンジ軸に沿って延び、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た一対の同一直線上のヒンジ部分７６、７８を含む。フレーム７４は、図示されるように、走査ミラー６４を取り囲む必要はない。
【００２９】
フレーム、ヒンジ部分、および走査ミラーは、一片の全体的に平坦なシリコン基板から作成され、このシリコン基板は、厚さ約１５０μである。シリコンは、上部平行スロット断面、下部平行スロット断面、およびＵ型中央スロット部分を有するΩ型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、好ましくは、卵型を有し、このスロット断面の中を移動するのは自由である。好ましい実施形態において、卵型の走査ミラーの軸に沿った寸法は、測定すると、７４９μ×１６００μである。各ヒンジ部分は、測定すると、幅２７μおよび長さ１１３０μである。フレームは、長方形の形状を有し、測定すると、幅３１００μおよび長さ４６００μである。
【００３０】
慣性ドライブは、全体的に平坦なプリント回路基板８０上に装着され、フレームを直接移動させるように、ヒンジ軸周りの走査ミラー６４を慣性によって間接的に振動させるように動作可能である。慣性ドライブの一つの実施形態において、一対の圧電トランスデューサ８２、８４を含む。この一対の圧電トランスデューサは、基板８０に垂直で、ヒンジ部分７６の両側でフレーム７４の間隔を空け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での恒久的な接触を確保するために、接着剤が使用され得る。各トランスデューサの対向する一端は、基板８０の後方から外に突き出て、周期的交流電源（図示せず）にワイヤ８６、８８によって電気的に接続される。
【００３１】
使用において、周期的信号が、周期的駆動電圧を各トランスデューサに印加し、これによって、個々のトランスデューサは、交互に、長さを伸び縮みする。トランスデューサ８２が伸びるとき、トランスデューサ８４は縮み、またその逆にもなる。これによって、間隔を空けたフレーム部分を同時に押し引きすることで、フレームをヒンジ軸周りで捩れ（ｔｗｉｓｔ）させる。駆動電圧は、走査ミラーの共鳴周波数に対応する周波数を有する。走査ミラーは、自身がまた共鳴周波数でヒンジ軸周りを振動するまで、その初期静止位置から移動される。好ましい実施形態において、フレームおよび走査ミラーは、厚さ約１５０μであり、走査ミラーは、高いＱファクタを有する。各トランスデューサによる１μのオーダーの移動は、２０ｋＨｚ超過する走査レートで、走査ミラーの振動を生じさせ得る。
【００３２】
別の一対の圧電トランスデューサ９０、９２は、基板８０に垂直で、ヒンジ部分７８のいずれかの側でフレーム７４の間隔を空けた部分と恒久的な接触するように延びる。トランスデューサ９０、９２は、フィードバックデバイスとして機能し、フレームの振動移動をモニタし、電気フィードバック信号を生成し、ワイヤ９４、９６に沿って、フィードバック制御回路（図示せず）に導く。
【００３３】
代替として、フィードバック用の圧電トランスデューサ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る。ここで、磁石は、高速ミラーの背面に装着され、外部コイルは、振動する磁石によって変化する磁場を拾うために使用される。
【００３４】
光は、走査ミラーの外側表面を反射して離れ得るが、ミラー６４の表面を鏡面コーティングでコーティングすることが望ましい。鏡面コーティングは、金、銀、アルミニウム、または特別に設計された高反射誘電コーティングからなる。
【００３５】
電磁気ドライブ７０は、第二の走査ミラー６８の上と後ろに、一緒に装着された永久磁石と、周期的駆動信号を受信することに応答して、周期的磁場を生成するように動作可能な電磁コイル７２とを含む。コイル７２は、磁石に隣接している。これは、周期的磁場が磁石の永久磁場と磁気的に相互作用して、磁石を振動させ、次いで、第二の走査ミラー６８とを振動させるようにするためである。
【００３６】
慣性ドライブ６６は、走査ミラー６４を高速で振動させ、好ましくは、５ｋＨｚを超える走査レートで、より具体的には、１８ｋＨｚのオーダーまたはそれ以上で振動させる。この高速走査レートは、非可聴周波数であり、したがって、ノイズおよび振動（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）を最小化する。電磁ドライブ７０は、走査ミラー６８を４０Ｈｚのオーダーのより遅い走査レートで振動させる。この走査レートは、過度のちらつき（ｆｌｉｃｋｅｒ）なしに、人間の目の網膜に画像を持続させることを可能にするのに十分速い。
【００３７】
より速いミラー６４は、水平走査線を掃引し、より遅いミラー６８は、水平走査線を垂直に掃引することによって、ラスタパターンを生成する。このラスタパターンは、画像が構築される概ね平行な走査線のグリッドまたはシーケンスである。各走査線は、幾つかのピクセルを有する。画像の解像度は、好ましくは、ＸＧＡ品質の１０２４×７６８ピクセルである。限られた作動範囲にわたって、７２０ｐで示される高精細度テレビ標準の１２７０×７２０ピクセルが表示され得る。一部のアプリケーションにおいては、１／２ＶＧＡ品質である３２０×４８０ピクセル、あるいは１／４ＶＧＡ品質である３２０×２４０ピクセルでも十分である。最低でも、１６０×１６０ピクセルの解像度が望まれる。
【００３８】
ミラー６４、６８の役割は、ミラー６８がより速く、ミラー６４がより遅くなるように、逆にされ得る。ミラー６４はまた、垂直走査線を掃引するように設計され得、この場合、ミラー６８は、水平走査線を掃引する。また、慣性ドライブは、ミラー６８を駆動するためにも使用され得る。実際、いずれのミラーも、電気機械ドライブ、電気ドライブ、機械ドライブ、静電気ドライブ、磁気ドライブ、または電磁気ドライブによって駆動され得る。
【００３９】
遅いミラーは、画像が表示されている間、一定速度掃引モードで動作される。ミラーが戻る間、ミラーは、著しくより高いその本来の周波数で、初期位置に戻るように掃引される。ミラーが戻る移動の間、レーザは、デバイスの消費電力を削減するために、遮断され得る。
【００４０】
図６は、図２の配列と同じ透視図法で、配列２０の実用的なインプリメンテーションである。上述のコンポーネントは、サポート上に装着され、このサポートは、トップカバー１００およびサポートプレート１０２を含む。ホルダ１０４、１０６、１０８、１１０、１１２は、それぞれ折り返しミラー４２、４８、フィルタ５２、５４、およびバウンドミラー６２と相互に整列して、保持する。各ホルダは、サポート上に静止するように装着された位置決めポストを受けるために、複数の位置決めスロットを有する。したがって、ミラーおよびフィルタは、正しく置かれる。図示されるように、３つのポストがあり、これによって、２つの角度調整と、１つの側面調整とが可能になる。各ホルダは、その最終位置に、グルー付けされ（ｇｌｕｅｄ）得る。
【００４１】
画像は、１つ以上の走査線内のピクセルの選択的な照明によって構築される。以下に、図７を参照して、さらに詳細に記載されるように、コントローラ１１４は、ラスタパターン内の選択されたピクセルが３つのレーザビームによって照明されて、可視となるようにさせる。例えば、赤色パワーコントローラ１１６、青色パワーコントローラ１１８、および緑色パワーコントローラ１２０は、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に電流を導き、これらのレーザに電力を与えて、それぞれのレーザビームを各選択されたピクセルで発するようにし、また、赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザに電流を導かずに、これらのレーザから電力を遮断し、その他の選択されなかったレーザビームを照明しないようにする。この結果、照明されたピクセルと照明されなかったピクセルとで得られるパターンは、画像を備え、この画像は、人間またはマシンで読み取り可能な情報またはグラフィックの任意の表示であり得る。
【００４２】
図１を参照すると、ラスタパターンが、拡大図に示される。レーザビームは、エンドポイントから開始し、水平走査レートで水平方向に沿って慣性ドライブによって、対向するエンドポイントまで掃引され、１つの走査線を形成する。そのとき、レーザビームは、垂直走査レートで垂直方向に沿って別のエンドポイントに電磁ドライブ７０によって掃引され、第二の走査線を形成する。連続的な走査線の形成が、同じ方法で行われる。
【００４３】
画像は、マイクロプロセッサ１１４の制御下で、あるいはパワーコントローラ１１６、１１８、１２０の動作による制御回路の制御下で、選択された時間にレーザをオンオフするように電力を与えるか、つまりパルス駆動することによって、ラスタパターンの中に形成される。レーザは、可視光を生成し、所望の画像の中のピクセルが、見られるべきと望まれるときに、オンにされる。各ピクセルの色は、ビームのうちの１つ以上の色によって決定される。可視光スペクトルの任意の色が、赤色レーザ、青色レーザ、および緑色レーザのうちの１つ以上を選択的に重ね合わせることによって形成され得る。ラスタパターンは、各ライン上の複数のピクセル、および複数のラインからなるグリッドである。画像は、選択されたピクセルのビットマップである。各文字または数字、任意のグラフィカル設計またはロゴ、およびマシンで読み取り可能なバーコードシンボルさえも、ビットマップ化された画像として形成され得る。
【００４４】
図７に示されるように、垂直および水平の同期化データと、ピクセルおよびクロック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の制御下にある赤色バッファ１２２、青色バッファ１２４、および緑色バッファ１２６に送信される。１つのフルＶＧＡフレームの格納は、多数のキロバイトを要求し、２つのフルフレームに対するバッファ内に十分なメモリを有することが望ましい。これは、一方のフレームが処理され、投影されている間に、他方のフレームが書き込まれることを可能にするためである。バッファされたデータは、速度プロファイラ１３０の制御下にあるフォーマッタ１２８と、赤色ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１３２、青色ＬＵＴ１３４、および緑色ＬＵＴ１３６とに送信され、走査によって生じる固有の内部歪みと、投影された画像を表示する角度によって生じる幾何学歪みとを訂正する。この結果得られる赤色デジタル信号、青色デジタル信号、および緑色デジタル信号は、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、赤色レーザドライバ（ＬＤ）１４４および青色ＬＤ１４６に供給され、赤色ＬＤ１４４および青色ＬＤ１４６はまた、赤色パワーコントローラ１１６および青色パワーコントローラ１１８に接続される。緑色アナログ信号は、音響光学モジュール（ＡＯＭ）無線周波数（ＲＦ）ドライバ１５０に供給され、次いで、緑色レーザ３４に供給され、緑色レーザもまた、緑色ＬＤ１４８と、緑色パワーコントローラ１２０とに接続される。
【００４５】
図７にはまた、これは、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も示され、これらのフォトダイオード増幅器は、赤色アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５８、青色Ａ／Ｄ変換器１６０、および緑色Ａ／Ｄ変換器１６２に接続され、次いで、これらのＡ／Ｄ変換器は、マイクロプロセッサ１１４に接続される。熱は、サーミスタ増幅器１６４によってモニタされ、サーミスタ増幅器１６４は、Ａ／Ｄ変換器１６６に接続され、次いで、Ａ／Ｄ変換器１６６は、マイクロプロセッサに接続される。
【００４６】
走査ミラー６４、６８は、ドライバ１６８、１７０によって駆動され、ドライバ１６８、１７０は、アナログ駆動信号をＤＡＣ１７２、１７４から供給され、ＤＡＣ１７２、１７４は、次いで、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、次いで、フィードバックＡ／Ｄ１８０、１８２は、マイクロプロセッサに接続される。
【００４７】
パワー管理回路１８４は、高速オンタイムを可能にしながらも、パワーを最小化するように動作する。この動作は、緑色レーザを全時間にわたってオンに保つことと、赤色レーザおよび青色レーザの電流をレーザ化閾値より少し低く保つこととによるのが好ましい。
【００４８】
レーザ安全遮断回路１８６は、走査ミラー６４、６８のいずれが定位置から外れている場合、レーザを遮断するように動作する。
【００４９】
図８に移ると、赤色レーザ２２およびレンズ２４、２６が、シャシに対する位置を示される。シャシにおいて、トップカバー１００およびサポートプレートは、互いに一体である。青色レーザ２８およびレンズ３０、３２は、同様な位置関係を有する。各レーザ２２、２８は、それぞれの光軸２００に沿ってレーザビームを発する。集束レンズ２４、３０は、強度な正の非球面レンズであり、中心化軸または機械軸２０２を有する。この軸は、中空で管状のホルダ２０４内側に装着されることによって決定される。図示されるように、ホルダは、軸の内部通路を有し、レンズ２４は、レーザにより近い端部領域で、固定するように装着される。
【００５０】
理想的には、光軸および機械軸は、完全に心合わせされたレンズと正確に一致する。しかしながら、レンズ、ホルダ、レーザ、およびサポートにおける機械的公差が全て、中心化誤差、すなわち、レンズの焦点で測定されるこれら２つの軸の分離距離量に寄与する。中心化角度は、半径方向分離距離の逆タンジェントを焦点距離で除算したものに等しい。本発明に従うと、特に、赤色レーザ２２および／または青色レーザ２８の非常に短い波長によって、レーザビームが精度よく集束され、整列されて、高解像度の画像を欠陥なしに投影することを保証されることを考慮すると、中心化角は、できるだけゼロに近づけるべきである。
【００５１】
レーザ２２は、シャシの内側で、好ましくは、ホルダ２０４が受けられる円筒状区画の内側で静止するように支持される。少なくとも一つの突起部、好ましくは、機械軸２０２の周りに等しい間隔で配列された複数の突起部２０６が、ホルダの外部壁から半径方向に延び、締りばめ（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｉｔ）と係合する。
【００５２】
図８に最適に示されるように、ホルダの外部壁とシャシとの間に環状ギャップ２０８が存在する。突起部２０６は、ホルダとシャシとの間の唯一の接触エリアを構成する。したがって、ホルダの対向する端部は、突起部の周りを旋回することによって、光軸２００に垂直な平面内で２つの相互に直交する上下間および／または両側面間で自由に移動する。ホルダはまた、突起部がシャシに対してスムーズにスライドするように、ホルダを軸に沿って、押し引きすることによって、光軸に沿って軸方向にも自由に移動する。これによって、移動の３つの自由を提供し、こうして、レンズ２４の機械軸２０２を光軸２００に整列する。
【００５３】
シャシは、ホルダを係合して、機械軸と光軸とが調整される所望の調整位置にホルダを押すツール２１２を挿入するために、少なくとも一つのツールアクセス通路を、好ましくは、複数のツールアクセス通路２１０（一つのみを図示）を有する。このカバーは、ホルダを取り囲むギャップ２０８に硬化可能な接着剤２１４を導入するために、少なくとも一つの接着剤入口通路を、好ましくは、複数の接着剤入口通路２１２を有する。この接着剤は、ホルダが固定位置に整列した後に、硬化して、ホルダを固定する。
【００５４】
このような硬化を促進するために、接着剤は、紫外線（ＵＶ）光によって硬化可能であり、ホルダは、ＵＶ光を通すガラス繊維充填ポリカーボネートのような合成プラスチック材料から構成される。ＵＶ光は、ホルダの対向する端部領域を通過して、すなわち、レーザからさらに遠くに、発せられる。ＵＶ光は、光透過性のホルダを通過し、ホルダの周囲全体にある接着剤を硬化し、これによって、ホルダを調整後、しかるべき場所に効果的に埋め込むことができる。
【００５５】
ホルダ内のガラス繊維は、光軸に全体的に平行となるように向けられ、ガラス繊維の品質は、制御される。これは、温度変化する間に、レーザとホルダとの間の分離距離を最小化するために、レーザの線形熱膨張係数と合致する線形熱膨張係数を、ガラス繊維に付与することによって制御される。
【００５６】
負のレンズであるレンズ２６もまた、ホルダ２０４の内側に装着される。レンズ２６は、中空管状スリーブ２１６の内側に固定され、スリーブ２１６は、好ましくは、ポリカーボネートから構成される。スリーブ２１６は、ホルダの対向する端部領域を通過して軸方向に挿入される。複数の弾力性を有するレッグ２１８は、ホルダの壁の内側壁と係合し、スリーブ２１６をしかるべき場所に保持する。したがって、レンズ２６は、レンズ２６の前方を押すことによって、集束するように調整される。スリーブ２１６は、ホルダの前方からＵＶ硬化可能な接着剤を導入し、ホルダの前方をＵＶ光に露光することによって、しかるべき場所に固定される。
【００５７】
赤色レーザおよび青色レーザに対して、光軸および機械軸が整列されることによって、画像が、高解像度を有するだけでなく、集束システムの開口数も、明るい表示をするのに十分なレーザ光がキャプチャされることを確保するために、十分高くなる。
【００５８】
本発明は、レーザビームを集束する配列および方法を具現化するように、特に、カラー画像投影の配列および方法を使用するために、例示され、説明されてきたが、本発明の精神から何ら逸脱することなく、様々な修正および構造的な変更がなされ得るので、本発明は、示された詳細に限定されることは、意図されない。
【００５９】
新規であるとしてクレームされ、特許証により保護されるべきことを望まれるものが、添付の特許請求の範囲に述べられている。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、自身からの作動距離で、画像を投影しているハンドヘルド装置の透視図である。
【図２】図２は、図１の装置にインストールするために、本発明に従う画像投影配列の拡大された上からの透視図である。
【図３】図３は、図２の配列の上平面図である。
【図４】図４は、図２の配列に使用する慣性ドライブの透視正面図である。
【図５】図５は、図４の慣性ドライブの透視背面図である。
【図６】図６は、図２の配列の実用的なインプリメンテーションの透視図である。
【図７−１】図７は、図２の配列の動作を記述する電気概略ブロック図である。
【図７−２】図７は、図２の配列の動作を記述する電気概略ブロック図である。
【図８】図８は、図６のライン８−８上での断面図である。
【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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【国際調査報告】
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