(57)【要約】  マイクロミラーアレイレンズのアレイと、ランダムスキャニングテクニックとを用いる２次元画像投影装置が発明された。ランダムスキャニングテクニックを用いるので、光の効率は従来技術よりもほぼ２倍になった。本発明は明るく、低い消費電力の表示装置を作ることを可能とする。マイクロミラーアレイレンズのアレイの各マイクロミラーアレイレンズが画像平面全体をスキャン可能であるので、早い自己分析及び訂正技術を表示装置に導入できる。上記自己分析及び訂正技術は、たとえ数十パーセントのマイクロミラーが正確に作動しなくとも、表示装置が画像品質を維持することを可能にする。マイクロミラーアレイレンズのスキャニングの特性により、画像投影装置は同じ数のピクセルイメージを従来技術よりも少ない数のマイクロミラーで表示できる。これはまた、携帯用電子機器に組み込むことができる小さいサイズの２次元画像プロジェクタを可能にする。
2008509448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個のマイクロミラーアレイレンズ、またはマイクロミラーアレイレンズのアレイを含み、
上記マイクロミラーアレイレンズは、複数のマイクロミラーを含んでいる２次元画像投影装置。
【請求項２】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、他のマイクロミラーアレイレンズから独立してその焦点距離を変えることができる請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項３】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、他のマイクロミラーアレイレンズから独立してその光軸を変えることができる請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項４】
１個のマイクロミラーアレイレンズを含んだマイクロミラーの数は、他のマイクロミラーアレイレンズを含んだマイクロミラーの数から独立に変化する請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項５】
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイは、平面上の光をスキャンし、上記光が平面に沿ったマイクロミラーアレイレンズからフォーカスされた光を横切ってスキャンされる請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項６】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、他のマイクロミラーアレイレンズから独立して光を平面に沿ってスキャンする請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項７】
多数のマイクロミラーアレイレンズは、上記平面内の同じ位置を同時にスキャンする請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項８】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、上記平面を異なる速度でスキャンする請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項９】
上記装置は、ランダムスキャニングテクニックを用いて上記平面をスキャンする請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１０】
グレースケールが、上記マイクロミラーのスキャニングスピードを変化させることによって達成される請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１１】
グレースケールが、それぞれのマイクロミラーアレイレンズの上記マイクロミラーの数を変化させることによって達成される請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１２】
グレースケールが、上記平面に沿った一点に同時にフォーカスさせるマイクロミラーアレイレンズの数を変化させることによって達成される請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１３】
グレースケールが、スキャニングスピード及び上記マイクロミラーアレイレンズの大きさを変化させることによって達成される請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１４】
それぞれのマイクロミラーは、３つの自由度の動作を有している請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１５】
上記装置は、
問題のあるマイクロミラーを割り出し、
上記問題のあるのマイクロミラーを排除するとともに、マイクロミラーアレイレンズの組み合わせと上記平面をスキャンする各スピードとを調整することによって上記装置を再較正する請求項５に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１６】
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反射され、空間の一点にフォーカスされる平行光を生成する光源と、
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反射された上記光がフォーカスされる画像を表示するための投影面と、
上記投影面に沿った光点を検出する光検出器を含み、画像データを含むデータ信号を生成するイメージセンサと、
上記イメージセンサによって伝送されたデータ信号を受け取り、上記イメージセンサと通信するイメージプロセッサと、
上記マイクロミラーアレイレンズの配置を調整するための制御データを含む制御信号を生成するとともにそれぞれの上記マイクロミラーアレイレンズに伝送するコントローラとをさらに含む請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１７】
フォーカスされる光は、表示される画像のピクセルに対応している請求項１６に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１８】
マイクロミラーアレイレンズのアレイを含んでいる携帯用２次元画像プロジェクタ。
【請求項１９】
上記プロジェクタは、自動焦点シグナルプロセッシングを用いる請求項１８に記載の携帯用２次元画像プロジェクタ。
【請求項２０】
上記プロジェクタがランダムスキャニングテクニック（Random Scanning Technique）を用いる請求項１８に記載の携帯用２次元画像プロジェクタ。
【請求項２１】
上記プロジェクタは、移動電話の中に組み込まれている請求項１８に記載の携帯用２次元画像プロジェクタ。
【請求項２２】
上記プロジェクタは、パーソナルデジタルアシスタント（personal digital assistant）の中に組み込まれている請求項１８に記載の携帯用２次元画像プロジェクタ。
【請求項２３】
上記プロジェクタは、カムコーダー（camcorder）の中に組み込まれている請求項１８に記載の携帯用２次元画像プロジェクタ。
【請求項２４】
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反らされ、空間の一点にフォーカスされる平行光を生成する光源と、
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反らされた上記光がフォーカスされ、画像が表示される画像表示のための投影面と、
上記画像から散乱された光を検出する光検出器を含み、画像データを含むデータ信号を生成するイメージセンサと、
上記イメージセンサによって伝送されたデータ信号を受け取り、上記画像データを解析し、イメージフォーカス状態データを含む状態信号を生成し、上記イメージセンサと通信するイメージプロセッサと、
上記イメージプロセッサによって伝送された上記状態信号を受け取り、上記マイクロミラーアレイレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送される制御信号を生成し、上記イメージプロセッサと通信するランダムスキャニングプロセッシングユニットとをさらに含む請求項１８に記載の携帯用２次元画像プロジェクタ。
【請求項２５】
光源から光を生成し、
上記光を反射し、平面上にフォーカスする複数のマイクロミラーを含むマイクロミラーアレイレンズのアレイを備え、フォーカスされた光は表示される画像のピクセルに対応しており、
画像データを含む画像信号を受け取り、上記画像データがプロセッシングユニットに伝送され、上記プロセッシングユニットが最適化された制御信号をそれぞれのマイクロミラーアレイレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送し、
画像データを搬送するデータ信号を生成するために表示された画像から散乱された光を検出し、
イメージフォーカス状態データを搬送する状態信号を生成するために上記データ信号を解析し、
上記アレイ中のそれぞれの上記マイクロミラーレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送される制御信号を生成するために、上記イメージフォーカス状態データを処理する平面に沿った一点に光をフォーカスする方法。
【請求項２６】
上記最適化された制御信号は、マイクロミラーアレイレンズの組み合わせのうち最も最適化されたセットを生成するためのデータを搬送する請求項２５に記載の平面に沿った一点に光をフォーカスする方法。
【請求項２７】
光源から光を生成し、
上記光を反射し、平面上にフォーカスする複数のマイクロミラーを含むマイクロミラーアレイレンズのアレイを備え、フォーカスされた光は表示される画像のピクセルに対応しており、
画像データを含む画像信号を受け取り、上記画像データがプロセッシングユニットに伝送され、上記プロセッシングユニットが制御信号をそれぞれのマイクロミラーアレイレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送し、
画像が表示されるまでの間、上記平面に沿った上記画像データに対応しているある位置に上記光をランダムにフォーカスする平面上に画像を表示する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、一般的には画像投影システムに関するものであり、特にマイクロミラーアレイレンズのアレイを含む２次元画像投影システムに関するものである。
【０００２】
空間的な光モジュレータ（ＳＬＭ: spatial light modulator）は、画像の解像度及び表示の明るさを増大させるための投影表示システムに用いられてきた。例えば、米国特許5,535,047及び6,232,936に開示されているようなデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ: Digital Micromirror Device）アレイが２次元画像投影装置として用いられている。この示唆によると、ＤＭＤアレイの各マイクロミラーは、１つの自由度（single-degree-of-freedom）、１つの軸に対する回転を有しており、単なる光学的スイッチとしての動作をする。ＤＭＤアレイが単に光学的スイッチのアレイであるので、光の方向は限定される。図１に示すように、ＤＭＤアレイは２つの位置のみ有している。一つは「オン」の位置であり、他方は「オフ」の位置である。ＤＭＤアレイがプロジェクタ及びプロジェクション型テレビジョンなどの２次元画像投影装置に用いられる場合、単純な「オン−オフ」の動きはその光の効率を限定し、高い消費電力の主要因となる。従来技術では、ＤＭＤアレイは単に『オン』又は『オフ』の位置のみをとるため、多くても入射光の５０％を使用している。このことについては、ミラーが「オフ」の位置にあるとき、光は捨てられている。２次元画像投影システムの明るさ及びパワーの効率を改善するために、反射された光の大部分がスクリーン上に投影されなければならない。
【０００３】
従来技術では、マイクロミラーアレイを含むレンズが”Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens” Proc. SPIE, Vol.5055, 278-286(2003), Boyd and G.Choに提案されている。マイクロミラーアレイレンズがその焦点距離を非常に短い間に変化させることが可能であるとはいえ、その光軸が固定されているので、マイクロミラーアレイレンズは２次元表示装置に用いることができない。さらに、マイクロミラーアレイレンズは固定された光軸を持つ反射型のレンズであるので、ビームスプリッタなどの追加の光学的コンポーネントが必要である。上記追加の光学的コンポーネントは光の効率を劣化させ、複雑さと光学システムのコストを増加させる。
【０００４】
それ故、現存する投影システムよりも明るさ及びパワー効率を改善するために、進歩的なフォーカスが行えるマイクロミラーアレイレンズを組み込んだ２次元画像投影システムの実用上の必要性がある。製造が簡単で、現存する投影システムの装置と一緒に用いることができるシステムが要求されている。
【０００５】
本発明は、２次元画像を表示するための画像投影装置を目指している。上記装置は、マイクロミラーアレイレンズのアレイを含んでいる。それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、任意のマイクロミラーのグループを含んでいる。マイクロミラーの上記グループは、表示する画像によって変化する。上記マイクロミラーは、コンポーネントを動かすことによってそれぞれ静電気的におよび／または電磁気的に制御される。上記マイクロミラーは、３つの自由動作、即ちレンズの平面の垂直軸に沿った１つの平行移動動作と、上記平面内の軸に沿った２つの回転動作とを備えている。上記平行移動動作は、収差を補正して位相が合った状態にするために必要とされる。上記２つの回転動作は、光を反らせたり（デフレクト：deflect）焦点に集めたりするのに必要とされ、マイクロミラーアレイレンズのアレイを用途を広げるために必須である。
【０００６】
用いる場合には、上記装置は、光源からレンズアレイに投射する平行光を生成する光源を含んでいる。上記光は、マイクロミラーアレイレンズによって反射され、結果の画像が示される投影面にフォーカスされる。それぞれのマイクロミラーアレイレンズが光を投影面にそってフォーカスすることができるので、２個またはより多くのマイクロミラーアレイレンズが入射光を投影面に沿った異なった場所に、または同じ場所に同時にフォーカスすることができる。それぞれのマイクロミラーアレイレンズが平面全体をスキャンすることができる（即ち、入射光を上記平面に沿った任意の位置にフォーカスすることができる）ので、投影画像を生成することができる。
【０００７】
マイクロミラーアレイレンズのアレイが、例えばプロジェクタ及び／またはプロジェクション型テレビジョンなどの従来の２次元表示装置に用いられる場合、投影された画像の明るさ及び表示装置の消費電力は、従来技術のＤＭＤアレイ装置よりも増大した光効率によって大いに改善される。マイクロミラーアレイレンズのアレイは、最適化されたランダムスキャニングテクニック（Random Scanning Technique）を用いることによって殆どすべての入射光を用いることができる。このテクニックによると、ランダムスキャニングプロセッサがそれぞれのフレームの明るさを解析し、それぞれのマイクロミラーアレイレンズのフォーカス位置とスキャニングスピードとを最適化する。本発明では、「ランダム」という語はスキャニングが連続していないという意味である。それ故、動作を最小化し、マイクロミラーアレイレンズの構成と破壊とを最小化し、フレームレートあたりのスキャンの長さを最小化してマイクロミラーアレイレンズの組み合わせのセットを最適化するために、それぞれのマイクロミラーレンズアレイは、（ａ）任意の数のマイクロミラーを有しており、（ｂ）異なった速度で平面をスキャンし、（ｃ）平面上のランダムな位置に光をフォーカスする。
【０００８】
上記ランダムスキャニングテクニックはまた、投影する画像の解像度を劣化させることなく、マイクロミラーの数を画像のピクセルの数よりも少なくすることを可能とする。それぞれのピクセルのグレースケールは、スキャニングスピードを制御すること及び／またはそれぞれのマイクロミラーアレイレンズのマイクロミラーの数を制御することによって容易に達成することができる。
【０００９】
小さいサイズのマイクロミラーアレイレンズのアレイは、移動電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ：personal digital assistant）、カムコーダー（camcorder）、またはレーザポインタなどの携帯用の電子装置に用いることができる。このような装置では、非常に小さいポケットサイズの２次元画像プロジェクタを提供するために、マイクロミラーアレイレンズのアレイはレーザダイオードモジュール及び自動焦点ユニットと組み合わされている。このような装置はまた、ユーザが移動電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）などから大きな投影画像を見ることが可能である。
【００１０】
本発明は光学スキャナ、写真コピー機器、レーザプリンタ、及びその他の画像投影装置への応用もまた可能である。さらに、本発明は３次元合成画像装置（three-dimensional integrated imaging device）に適用することもできる。
【００１１】
結論として、本発明によって提供される従来の画像投影システムに対する有利な点は、
１．  ２次元画像投影システムの明るさ及び消費電力を改善する。
２．  携帯用であり、ポケットサイズの、高品質の２次元画像プロジェクタを提供する。
３．  マイクロミラーアレイレンズのアレイのそれぞれのマイクロミラーアレイレンズが、異なった焦点距離、異なった光軸、レンズサイズ、及びレンズ形状を持つように独立に制御されるので、本発明は様々な応用例に用いてもよい。
４．  マイクロミラーアレイレンズのアレイのそれぞれのマイクロミラーアレイレンズは、容易に表示する画像の光の強度を制御するために異なった速度で平面をスキャンするように制御されることが可能である。
５．  レンズアレイのマイクロミラーアレイレンズのグループは、表示する画像の光の強度を容易に制御するために同じ位置を同時にスキャンするように制御されても良い。
【００１２】
これら及びその他の特徴、外観、及び本発明の有利な点は、付属する図面とともに考慮するとき、以下に示す詳細な記述を参照することによって十分に理解されるであろう。
【００１３】
図１は、２つの方向のうちの１つに入射光を反らせる従来のピクセルミラーの２つの安定したデフレクト状態を示す図である。
【００１４】
図２は、本発明での２次元画像投影装置の概略図である。
【００１５】
図３は、本発明のレンズアレイの部分的な平面図である。
【００１６】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図３のレンズアレイを含むマイクロミラーアレイレンズの平面図である。
【００１７】
図５は、本発明の原理に従った、第１の位置でのある時点でのマイクロミラーアレイレンズのアレイの平面図である。
【００１８】
図６は、本発明の原理に従った、他の位置でのある時点でのマイクロミラーアレイレンズのアレイの平面図である。
【００１９】
図７は、本発明のマイクロミラーアレイレンズの側面の概略図である。
【００２０】
図８は、本発明のマイクロミラーの自由度を示す透視図である。
【００２１】
図９は、どのように本発明の２次元投影装置が機能するかを示す概略図である。
【００２２】
図１０は、本発明の２次元画像投影装置のランダムスキャニングテクニックを示すブロック図である。
【００２３】
図１１は、本発明の２次元画像投影装置のための自己分析及び訂正プロセスを示すブロック図である。
【００２４】
図１２は、本発明の原理に従ったレンズアレイを含む携帯電子装置の概略図である。
【００２５】
本発明の特に好ましい実施形態では、マイクロミラーアレイレンズのアレイを含む２次元画像投影装置が提供されている。それぞれのマイクロミラーアレイレンズは複数のマイクロミラーを含んでおり、そのマイクロミラーの配置は、焦点距離、光軸、レンズサイズ、レンズの数、レンズの形状、及びマイクロミラーアレイレンズのその他のものを変化できるように調整されている。従来の２次元表示装置に適用する場合、マイクロミラーアレイレンズのアレイは、光効率の増加によって、投影された画像の明るさ及び表示装置の消費電力を大いに改善する。
【００２６】
図２は、光源２２、レンズアレイ３０、投影面２４を含む２次元画像投影装置２０を示している。光源２２は、カラーホイルを備えたメタルハライド、発光ダイオード、３個（赤、緑、青）のレーザダイオード、またはその他好ましい光源などの従来の光源であってもよい。光源は赤、緑、青（「ＲＧＢ」）の光２１を生成し、光２１は画像データに従ってレンズアレイ３０によって反射され、投影面２４にフォーカスされ、その結果画像が表示される。
【００２７】
図３を参照すると、レンズアレイ３０はマイクロミラーアレイレンズ３２，３４，及び３６の平面のアレイを含んでいる。それぞれのマイクロミラーアレイレンズは複数のマイクロミラー３８を含んでいる。マイクロミラー３８はミラーとして同じ機能を持っており、金属、金属化合物、または他の反射力を備える物質で形成された反射面を含んでいる。多くの知られている微小形成プロセスが、高い反射力をもった表面を形成するために用いられる。マイクロミラーは、マイクロミラーを回転及び平行移動させる駆動コンポーネントによって個別に制御される。マイクロミラーは断面形状が放物線状であることが好ましい。この放物線状の構成は、マイクロミラーアレイレンズのフォーカス効率を増加させる。詳細については後述する。
【００２８】
レンズアレイ３０は、実質的に矩形のアレイを形成するように配置されているマイクロミラーアレイレンズ３２，３４及び３６のシリーズを含んでいても良い。このようなレンズアレイの基本的な配置及び操作上の原理は、米国特許10/857,714号（出願日２００４年５月２８日）に開示されており、その開示内容全てが、本明細書において参照物として盛り込まれている。
【００２９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されているように、それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、任意の数のマイクロミラー３８を含んでいる。マイクロミラー３８は、大きさ及び形状が変化してもよい。しかしながら、マイクロミラーは六角形、長方形、及び／または正方形の形状を含んでいることが好ましい。これらの形状は、マイクロミラーを容易に形成し、また制御することを可能にする。
【００３０】
他の実施の形態では、円筒形及び／または円形のレンズを含む円筒形のレンズアレイまたはミックスされたレンズアレイが形成されている。
【００３１】
マイクロミラーアレイレンズ３２，３４，及び３６の相対的な位置は、レンズアレイ３０の平面において固定されない。それぞれのマイクロミラーアレイレンズは所定の時間存在している。画像信号に従って、多くの異なったマイクロミラーアレイレンズがフレームスピード以内に「構成」または「破壊」されている。例えば、図５に示すように、一つのイメージフレームは、マイクロミラーアレイレンズ３２のみを含むレンズアレイ３０のみ必要であっても良い。しかしながら、他のイメージフレームでは、図６に示すように１２個のマイクロミラーアレイレンズ３２を含むレンズアレイが必要であっても良い。本発明では、「変化する」という語は、全ての光学的パラメタ、焦点距離、光軸、レンズサイズ、レンズの数、レンズの形状、及びその他が処理される画像データに従って変化するという意味である。
【００３２】
マイクロミラーが互いに分離または空間的に離れているマイクロミラーのグループは、それぞれのマイクロミラーが調和して傾斜し、収束する光の位相が同じになるようにマイクロミラーが形成されている限り、マイクロミラーアレイレンズを形成することができる。
【００３３】
図７はどのようにそれぞれのマイクロミラーアレイレンズ３２，３４，及び３６が動作するかを示している。本発明のマイクロミラーアレイレンズは、”Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens” Proc. SPIE, Vol.5055, 278-286(2003), Boyd and G.Choという文書によって紹介された従来のマイクロミラーアレイレンズと全く同様であり、その開示内容は本明細書において参照物として盛り込まれている。上記のように、マイクロミラーアレイレンズ３２は、多くのマイクロミラー３８を含んでいる。それぞれのマイクロミラーは、円又は放物線形状の部分に対応している。従来の凹面ミラーとは異なり、マイクロミラーアレイレンズは、それぞれのマイクロミラーの部分の傾斜を制御することによって、その焦点距離及び光軸の方向を変化させることができる。
【００３４】
マイクロミラーアレイレンズ３２は、平行光３７を画像面上の一つの点Ｍ（図２参照）に集光させることによって、焦点の合った画像ピクセルを形成する。これは、マイクロミラー３８の位置を制御することによってなされている。任意の光の位相は、それぞれのマイクロミラーの平行移動によって同じ位相に調整される。要求されるマイクロミラーの平行移動置換範囲は、少なくとも光の波長の半分である。
【００３５】
マイクロミラーアレイレンズ３２の焦点距離Ｆは、それぞれのマイクロミラー３８の回転及び／または平行移動の動作の制御によって変化する。マイクロミラーが回転及び平行移動の動作ができるので、マイクロミラーアレイレンズは空間的な光モジュレータ（ＳＬＭ: Spatial Light Modulator）となることができる。マイクロミラーは、画像からの位相収差を取り除くために、収縮したり、または長く伸ばしたり、画像からの散乱光の光路長の長さを短くしたりする。
【００３６】
マイクロミラー３８を支えている機械的な構造と、マイクロミラーの回転及び平行移動を行う駆動コンポーネントとは、マイクロミラーが互いの位置を近づけるようにマイクロミラーの下に位置している。このことは、マイクロミラーアレイレンズ３２の有効反射領域を増加させる。また、マイクロミラーを操作するための電気的な回路は、ＭＯＳ又はＣＭＯＳなどの公知マイクロエレクトロニック技術で置き換えることができる。上記回路をマイクロミラーアレイに適用すると、動作電力を供給するために用いられている電極パッド及びワイヤのために必要な領域を取り除くことによって有効領域が増加する。マイクロミラーは重量が小さく、慣性モーメントが小さいので、それらの位置及び姿勢は約１０ｋＨｚの速さで変化させることができる。それ故、マイクロミラーアレイレンズは、約１０ｋＨｚの焦点応答速度を備えた高速可変焦点レンズである。
【００３７】
上記のように、従来の反射レンズの理想的な形状が湾曲しているので、それぞれのマイクロミラー３８が湾曲していることが望ましい。しかしながら、平坦なマイクロミラーを備えるマイクロミラーアレイレンズ３２の収差が従来の湾曲しているレンズから大きく異ならないので、マイクロミラーの大きさが十分小さければ、マイクロミラーの湾曲を必ずしも制御する必要はない。
【００３８】
本発明の恩恵の一つは、既存の２次元画像プロジェクタで、従来のマイクロミラーアレイの操作方法の改善を行うことと、容易に実行できるようにこれらのレンズを変更することとである。即ち、図８に示すように、本発明は、それぞれのマイクロミラーアレイレンズの平面の垂直軸に沿った１つの平行移動動作５４と、それぞれのマイクロミラーアレイレンズの平面内での２つの軸に関しての２つの回転動作５２，５３とである３つの自由動作を持ったそれぞれのマイクロミラー３８を備えている。平行移動動作は、収差を補正して位相が合った状態にするために必要とされる。２つの回転動作は、光を任意の方向に反らせるために必要とされ、マイクロミラーアレイレンズのアレイの用途を広げるために必須である。２つの自由度の回転動作のみを備えるマイクロミラーアレイレンズのアレイもまた可能であるが、その画像の品質は劣化しているかもしれない。
【００３９】
図９は、例えばームプロジェクタまたはプロジェクション型テレビジョンなどの２次元画像投影装置６０の操作を示している。２次元画像投影装置６０は、本発明の原理に従ったレンズアレイ６２を含んでいる。光源（図示せず）は、光源からレンズアレイ６２に入射する平行光６１を生成している。光は、マイクロミラーアレイレンズ６４で反射され、投影面６７上にフォーカスされ、その結果画像が表示される。
【００４０】
与えられたイメージフレームでは、中央またはマイクロミラーアレイレンズの光軸が変化しても良い。同時に、与えられたイメージフレームでは、マイクロミラーアレイレンズを含んだマイクロミラーの数、またはマイクロミラーアレイレンズの焦点距離が変化しても良い。それぞれのマイクロミラーアレイレンズが焦点の合った光を投影面に沿ってスキャンすることができるので、２つまたは多くのマイクロミラーアレイレンズが同時に入射光を投影面に沿った異なった場所に、または同じ場所にフォーカスすることができる。それぞれのマイクロミラーアレイレンズが全平面６７をスキャンすることができる（即ち入射光を上記平面に沿った任意の位置にフォーカスする）ので、投影された画像が生成される。
【００４１】
〔ランダムスキャニングテクニック〕
本発明の２次元画像投影装置は、レンズアレイを含むマイクロミラーアレイレンズの必要とする数を減少させるために、ランダムスキャニングテクニック（「ＲＳＴ」）を適用することができる。図１０は、どのようにＲＳＴがこのような画像投影装置に適用されるかを概略的に示している。
【００４２】
上記技術は、アンテナ及び／または受信手段から受信される画像信号１１０によって始まる１１０。上記信号は、フレームの平均の明るさを解析するイメージプロセッサによって処理される１２０。イメージプロセッサはそれから、それぞれのピクセルの明るさを解析する１３０。次に、イメージプロセッサは、それぞれのピクセルに対して必要な光の強度と露出時間とを計算する１４０。そしてイメージプロセッサは、最適化を行う１５０。最適化を通して、動作を最小化し、マイクロミラーアレイレンズの構成と破壊とを最小化し、フレームレートあたりのスキャンの長さを最小化するマイクロミラーアレイレンズの組み合わせのうち最も最適化されたセットが生成される。最適化されたレンズの組み合わせに従って、フレームの制御信号が生成される１６０。制御信号が、それぞれのマイクロミラーアレイレンズを制御するためにレンズアレイに送信される１７０。マイクロミラーアレイレンズの応答時間（＞１０ｋＨｚ）がフレームスピード（〜３０Ｈｚ）よりも非常に早いので、マイクロミラーアレイレンズ及びランダムスキャニングテクニックを用いた２次元画像投影システムは、マイクロミラーアレイレンズの数よりも多くのピクセルを表示することができる。それぞれのマイクロミラーアレイレンズのマイクロミラーの数を変化させること、及び／またはマイクロミラーアレイレンズのスキャニングスピード（即ち、光の露出時間の持続時間）を変化させることによって、グレースケールが容易に表示できる。要求されるマイクロミラーアレイレンズの数がピクセルの数に対して非常に少ないということは、マイクロミラーアレイレンズのアレイを非常に小さく作ることができる。さらに、もしマイクロミラーのアレイが十分なマイクロミラーを含んでいれば、表示装置は精密な画像を表示することができる。
【００４３】
〔自己分析＆訂正技術〕
自己分析＆訂正技術（「ＳＤＣＴ」：self diagnosis & correction technique）もまた２次元投影装置に適用することができる。ＳＤＣＴの間、イメージプロセッサは、それぞれのスポットの所定の位置からのずれを分析し、対応するマイクロミラーのスケールファクタを訂正する。図１１は、本発明の２次元画像投影装置に適用するＳＤＣＴの単純化した概略図である。ＳＤＣＴシステムは主に、光源２１０、イメージセンサ２５０、イメージプロセッサ２６０、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ：read only memory）２７０、レンズアレイ２２０及びコントローラ２４０からなっている。
【００４４】
この技術はコントローラ２４０から始まる。コントローラは、試験信号のセットを発生し、レンズアレイ２２０に伝送する。アレイを含んでいるそれぞれのマイクロミラーは上記試験信号によって制御され、光源２１０から入射された光は、制御されたマイクロミラーによって、投影面２３０に沿った幾つかの所定の位置２３５に反らされる。イメージセンサ２５０は、投影面に沿った光の点を検出する光検出器を含んでいる。そしてイメージセンサは、画像データを含んだ電気信号をイメージプロセッサ２６０に伝送する。イメージプロセッサはまた、それぞれのマイクロミラーが合格か不合格かを決定する。この試験は、レンズアレイの全てのマイクロミラーに対して行われる。マイクロミラーの応答速度が１０ｋＨｚよりもわずかに小さいので、全てのマイクロミラーに対するその試験は数分以内に完了する。上記試験はまた、視聴者が画像装置を見ている間に行うこともできる。アレイ中の全てのマイクロミラーに対する試験の結果は、ＲＯＭ２７０に書き込まれ、ランダムシグナルプロセッシングの参照データとなる。２次元画像表示のためのランダムスキャニングプロセッシングでは、不合格のマイクロミラーはマイクロミラーアレイレンズの形成において排除される。
【００４５】
自己分析プロセスを通して、不合格のマイクロミラーが割り出される。ランダムシグナルプロセッサは、その動作において、不合格のマイクロミラーを排除するために、また、マイクロミラーアレイレンズの組み合わせとスキャニングスピードとを調整して補正するために、制御信号を最適化する。ＳＤＣＴによって、１０〜２０パーセント（１０〜２０％）のマイクロミラーが不合格であっても、表示される画像は同じ品質に維持される。ＳＤＣＴを適用することによって、信頼性及び表示装置の動作寿命が十分に改善される。
【００４６】
本発明を従来の２次元表示装置に適用した場合、投影された画像の明るさ及び表示装置の消費消費は、従来の表示装置よりも光効率が増加するので大幅に改善される。従来技術では、「オン」又は「オフ」の位置をとるため、ＤＭＤアレイは入射光の多くとも５０パーセント（５０％）を使用している。ミラーが「オフ」の位置にあるとき、光は捨てられている。それに対して、マイクロミラーアレイレンズのアレイは、上記のように、最適化されたランダムスキャニングテクニックを適用することによって殆どの入射光を用いることができる。上記のことを考慮に入れると、２次元表示装置における殆ど全ての電力消費要素が投影ランプであり、光効率は消費電力に直接関係する。
【００４７】
〔他の実施の形態〕
その他の見込みのある本発明の応用例は、移動電話、ＰＤＡ、カムコーダー（camcorder）、及びその他の関係する装置などの、マイクロミラーアレイレンズのアレイが小型電子機器の中に組み込まれている携帯用２次元画像プロジェクタである。上記のように、マイクロミラーアレイレンズは構成が小型であり、アレイをそのような装置に用いることができる。
【００４８】
図１２は、小さい携帯用電子装置の中で実現されている本発明の２次元画像プロジェクタの例を示している。この実施の形態では、２次元画像プロジェクタを小型化するために、３個（赤、緑、青）のレーザダイオードモジュール３１０が光源として用いられている。スペックル（speckle）やコヒーレント光からの干渉などの望ましくない効果を最小化するために、広帯域レーザが好ましい。放送システム、他の外部装置、または内部記憶装置から受信した画像信号３６０は、レンズアレイ３２０を構成するために最適化された制御信号を伝送するランダムスキャニングプロセッシングユニット３７０に伝送される。レンズアレイは、画像を表示するためにレーザダイオードからの入射光を反らせる。画像は、スクリーン、壁面、または他の好ましい投影面３３０上に表示することができる。携帯用電子装置の中に実現されているイメージセンサ３４０は、スクリーンからの散乱光を検出する光検出器を含んでいる。イメージセンサは、画像データを搬送する電気信号を生成し、自動焦点イメージプロセッサ３５０に伝送する。イメージプロセッサは、フォーカス状態を決定するための画像データを解析する自動焦点アルゴリズムを含んでいる。そしてイメージプロセッサは、フォーカス状態をランダムスキャニングプロセッシングユニット３７０に伝送する。ランダムスキャニングプロセッシングユニットは、レンズアレイ中のそれぞれのマイクロミラーレンズのフォーカスを調整するために制御信号をマイクロミラーアレイレンズに伝送する。
【００４９】
要するに、本発明は従来の２次元画像投影システムの明るさ及び消費電力を改善する。本発明は携帯用であり、ポケットサイズの、高品質の２次元画像投影装置に適用してもよい。本発明のレンズアレイを含むそれぞれのマイクロミラーアレイレンズは、異なった焦点距離、異なった光軸、レンズサイズ、及びレンズ形状を持つように独立して制御されても良い。このことによって、レンズアレイを多くの応用例に適用することができる。さらに、レンズアレイのマイクロミラーアレイレンズのそれぞれは、異なる速度で投影面をスキャンするように制御されても良く、またマイクロミラーアレイレンズのグループは、平面上の同じ点を同時にスキャンするように制御されても良い。このことにより、スクリーン上の光の強度を制御することが容易になる。
【００５０】
上述の記載は、現時点で好ましい本発明の実施の形態を参照して示した。本発明に属する当業者は、記述した構造における交替及び変化が本発明の範囲、精神、および主要部分から外れることなく実施されてもよいことを正しく認識するであろう。
【００５１】
従って、上記記述は、正確な構造のみが記述され、付属する図面に示されてるとして解釈されるべきではなく、むしろ以下に述べる完全かつ公正な請求項の範疇に一致し、サポートするものとして解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】２つの方向のうちの１つに入射光を反らせる従来のピクセルミラーの２つの安定したデフレクト状態を示す図である。
【図２】本発明での２次元画像投影装置の概略図である。
【図３】本発明のレンズアレイの部分的な平面図である。
【図４（ａ）】図３のレンズアレイを含むマイクロミラーアレイレンズの平面図である。
【図４（ｂ）】図３のレンズアレイを含むマイクロミラーアレイレンズの平面図である。
【図５】本発明の原理に従った、第１の位置でのある時点でのマイクロミラーアレイレンズのアレイの平面図である。
【図６】本発明の原理に従った、他の位置でのある時点でのマイクロミラーアレイレンズのアレイの平面図である。
【図７】本発明のマイクロミラーアレイレンズの側面の概略図である。
【図８】本発明のマイクロミラーの自由度を示す透視図である。
【図９】どのように本発明の２次元投影装置が機能するかを示す概略図である。
【図１０】本発明の２次元画像投影装置のランダムスキャニングテクニックを示すブロック図である。
【図１１】本発明の２次元画像投影装置のための自己分析及び訂正プロセスを示すブロック図である。
【図１２】本発明の原理に従ったレンズアレイを含む携帯電子装置の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月11日(2007.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロミラーアレイレンズのアレイを含み、
上記マイクロミラーアレイレンズは、複数のマイクロミラーを含み、
それぞれのマイクロミラーアレイレンズにおける上記マイクロミラーの動作は、マイクロミラーアレイレンズを形成するように制御され、
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、平面上に光をフォーカスするとともにスキャンし、
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイは、平面上に光をフォーカスするとともにスキャンする２次元画像投影装置。
【請求項２】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、他のマイクロミラーアレイレンズから独立して上記光を上記平面に沿ってスキャンする請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項３】
多数のマイクロミラーアレイレンズは、上記平面内の同じ位置を同時にスキャンする請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項４】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、上記平面を異なる速度でスキャンする請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項５】
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイは、ランダムスキャニングテクニックを用いて上記平面をスキャンする請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項６】
グレースケールは、上記マイクロミラーのスキャニングスピードを変化させることによって達成される請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項７】
グレースケールは、それぞれのマイクロミラーアレイレンズの上記マイクロミラーの数を変化させることによって達成される請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項８】
グレースケールは、上記平面に沿った一点に同時にフォーカスさせるマイクロミラーアレイレンズの数を変化させることによって達成される請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項９】
グレースケールは、スキャニングスピード及び上記マイクロミラーアレイレンズの大きさを変化させることによって達成される請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１０】
それぞれのマイクロミラーは、３つの自由度の動作を有している請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１１】
上記装置は、
問題のあるマイクロミラーを割り出し、
上記問題のあるマイクロミラーを排除するとともに、マイクロミラーアレイレンズの組み合わせと上記平面をスキャンする各スピードとを調整することによって上記装置を再較正する請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１２】
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反射され、空間の一点にフォーカスされる平行光を生成する光源と、
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反射された上記光がフォーカスされる画像を表示するための投影面と、
上記投影面に沿った光点を検出する光検出器を含み、画像データを含むデータ信号を生成するイメージセンサと、
上記イメージセンサによって伝送された上記データ信号を受け取り、上記イメージセンサと通信するイメージプロセッサと、
上記マイクロミラーアレイレンズの配置を調整するための制御データを含む制御信号を生成するとともに上記マイクロミラーアレイレンズのぞれぞれに伝送するコントローラとをさらに含む請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１３】
フォーカスされる光は、表示される画像のピクセルに対応している請求項１２に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１４】
上記プロジェクタは、自動焦点シグナルプロセッシングを用いる請求項１に記載の画像プロジェクタ。
【請求項１５】
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反らされ、空間の一点にフォーカスされる平行光を生成する光源と、
上記マイクロミラーアレイレンズのアレイによって反らされた上記光がフォーカスされ、画像が表示される画像表示のための投影面と、
上記画像から散乱された光を検出する光検出器を含み、画像データを含むデータ信号を生成するイメージセンサと、
上記イメージセンサによって伝送された上記データ信号を受け取り、上記画像データを解析し、イメージフォーカス状態データを含む状態信号を生成し、上記イメージセンサと通信するイメージプロセッサと、
上記イメージプロセッサによって伝送された上記状態信号を受け取り、上記マイクロミラーアレイレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送される制御信号を生成し、上記イメージプロセッサと通信するランダムスキャニングプロセッシングユニットとをさらに含む請求項１に記載の画像プロジェクタ。
【請求項１６】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、他のマイクロミラーアレイレンズから独立してその焦点距離を変えることができる請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１７】
それぞれのマイクロミラーアレイレンズは、他のマイクロミラーアレイレンズから独立してその光軸を変えることができる請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１８】
１個のマイクロミラーアレイレンズを含んだマイクロミラーの数は、他のマイクロミラーアレイレンズを含んだマイクロミラーの数から独立して変化する請求項１に記載の２次元画像投影装置。
【請求項１９】
光源から光を生成し、
上記光を反射し、平面上にフォーカスする複数のマイクロミラーを含むマイクロミラーアレイレンズのアレイを備え、フォーカスされた光は表示される画像のピクセルに対応しており、
画像データを含む画像信号を受け取り、上記画像データがプロセッシングユニットに伝送され、上記プロセッシングユニットが最適化された制御信号をそれぞれのマイクロミラーアレイレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送し、
画像データを搬送するデータ信号を生成するために表示された画像から散乱された光を検出し、
イメージフォーカス状態データを搬送する状態信号を生成するために上記データ信号を解析し、
上記アレイ中のそれぞれの上記マイクロミラーレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送される制御信号を生成するために、上記イメージフォーカス状態データを処理する平面に沿った一点に光をフォーカスする方法。
【請求項２０】
上記の最適化された制御信号は、マイクロミラーアレイレンズの組み合わせのうち最も最適化されたセットを生成するためのデータを搬送する請求項１９に記載の平面に沿った一点に光をフォーカスする方法。
【請求項２１】
光源から光を生成し、
上記光を反射し、平面上にフォーカスする複数のマイクロミラーを含むマイクロミラーアレイレンズのアレイを備え、フォーカスされた光は表示される画像のピクセルに対応しており、
画像データを含む画像信号を受け取り、上記画像データがプロセッシングユニットに伝送され、上記プロセッシングユニットが制御信号をそれぞれのマイクロミラーアレイレンズのフォーカスを調整するために上記マイクロミラーアレイレンズのアレイに伝送し、
画像が表示されるまでの間、上記平面に沿った上記画像データに対応しているある位置に上記光をランダムにフォーカスする平面上に画像を表示する方法。
【国際調査報告】
2008509448.tif 000016