(57)【要約】軽量かつコンパクトな画像投影モジュール、特に光透過ウィンドウを有する筐体に実装される画像投影モジュールであって、ラスタパターンの選択された画素を照明させることにより、モノクロ、カラーまたはグレースケールの高解像度のＶＧＡ質の画像を生成するように動作可能である。エッジ放射発光ダイオードが、互いに直交する円筒形のレンズとともに用いられ、モジュールが短くかつスリムなフォームファクタを有することを可能にする。
2008536153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する縦方向および横方向に沿って延びる二次元画像を投影面に投影する画像投影モジュールであって、
該画像投影モジュールは、
ａ）支持部材と、
ｂ）該支持部材上を該縦方向に沿って延びる発光ダイオードのアレイであって、活性化された場合、該縦方向と該横方向とに沿って分岐するそれぞれの光ビームを放射するように動作可能である発光ダイオードのアレイと、
ｃ）該支持部材上の光学アセンブリであって、該縦方向に沿って該ビームを集束し、該横方向に沿って該ビームをコリメートすることによって、該アレイを該縦方向に沿って延びる画像線として該投影面上で撮像する光学アセンブリと、
ｄ）該支持部材上の走査装置であって、該横方向に沿って該画像線を掃引し、該画像線は、複数の画素を有する、走査装置と、
ｅ）該アレイと該走査装置とに動作可能に接続されているコントローラであって、該ダイオードのうちの選択されたいくつかを活性化し、該ダイオードのうちの該選択されたいくつかによって、該画素のうちの選択されたいくつかを照明させ、見えるようにすることにより、該二次元画像を生成するコントローラと
を備えた、画像投影モジュール。
【請求項２】
前記支持部材は、プリント回路基板である、請求項１に記載の画像投影モジュール。
【請求項３】
前記発光ダイオードは、前記基板に対して概して平行である光学経路に沿って前記ビームを放射するエッジ放射発光ダイオード（ＥＥＬＥＤ）であり、各ビームは、前記横方向に沿って回折が制限されており、前記縦方向に沿って回折が制限されていない、請求項２に記載の画像投影モジュール。
【請求項４】
前記光学アセンブリは、前記横方向に沿って光学パワーを有するコリメータレンズであって、前記ビームをコリメートするコリメータレンズと、前記縦方向に沿って光学パワーを有する集束レンズであって、該ビームを集束する集束レンズとを含む、請求項３に記載の画像投影モジュール。
【請求項５】
各レンズは、円筒形レンズである、請求項４に記載の画像投影モジュール。
【請求項６】
前記走査装置は、ある走査レートで前記画像線を掃引する発振可能な走査ミラーを含む、請求項４に記載の画像投影モジュール。
【請求項７】
前記コントローラは、前記ダイオードのうちの選択されたいくつかを活性化することにより、前記画素のうちの選択されたいくつかを照明し、該ダイオードのうちの別のいつくかを非活性化することにより、該画素のうちの別のいくつかを照明しないようにする手段を含む、請求項１に記載の画像投影モジュール。
【請求項８】
前記ＥＥＬＥＤと前記走査ミラーと前記レンズとは、前記基板に対して相対的に測定されたとき、２ミリメートルを超えない前記横方向に沿った高さを有する、請求項６に記載の画像投影モジュール。
【請求項９】
互いに直交する縦方向および横方向に沿って延びる二次元画像を投影面に投影するコンパクトな画像投影モジュールであって、
該コンパクトな画像投影モジュールは、
ａ）プリント回路基板と、
ｂ）該基板上を該縦方向に沿って延びるエッジ放射発光ダイオード（ＥＥＬＥＤ）のアレイであって、活性化された場合、該基板に対して概して平行な光学経路に沿ってそれぞれの光ビームを放射するように動作可能であり、各ビームは、該横方向に沿って回折が制限されており、該縦方向に沿って回折が制限されていない、ＥＥＬＥＤのアレイと、
ｃ）該基板上の光学アセンブリであって、該アレイを該縦方向に沿って延びる画像線として該投影面上で撮像し、該横方向に沿って該ビームをコリメートする円筒形のコリメータレンズと、該縦方向に沿って該ビームを集束する円筒形の集束レンズとを含む光学アセンブリと、
ｄ）発振運動のために、該基板に対して相対的に実装される走査ミラーであって、該横方向に沿って該画像線を掃引し、該画像線は、複数の画素を有する、走査ミラーと、
ｅ）該アレイと該ミラーとに動作可能に接続されているコントローラであって、該ＥＥＬＥＤのうちの選択されたいくつかを活性化し、該ＥＥＬＥＤのうちの該選択されたいくつかによって、該画素のうちの選択されたいくつかを照明させ、見えるようにすることにより、該二次元画像を生成するコントローラと
を備えた、コンパクトな画像投影モジュール。
【請求項１０】
互いに直交する縦方向および横方向に沿って延びる二次元画像を投影面に投影する画像投影装置であって、
該画像投影装置は、
Ａ）光透過ポートを有する筐体と、
Ｂ）該筐体に実装されるモジュールと
を備え、
該モジュールは、
ａ）支持部材と、
ｂ）該支持部材上を該縦方向に沿って延びる発光ダイオードのアレイであって、活性化された場合、該縦方向と該横方向とに沿って分岐するそれぞれの光ビームを該ポートを介して放射するように動作可能である発光ダイオードのアレイと、
ｃ）該支持部材上の光学アセンブリであって、該縦方向に沿って該ビームを集束し、該横方向に沿って該ビームをコリメートすることによって、該アレイを該縦方向に沿って延びる画像線として該投影面上で撮像する光学アセンブリと、
ｄ）該支持部材上の走査装置であって、該横方向に沿って該画像線を掃引し、該画像線は、複数の画素を有する、走査装置と、
ｅ）該アレイと該走査装置とに動作可能に接続されているコントローラであって、該ダイオードのうちの選択されたいくつかを活性化し、該ダイオードのうちの該選択されたいくつかによって、該画素のうちの選択されたいくつかを照明させ、見えるようにすることにより、該二次元画像を生成するコントローラと
を含む、画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、二次元画像をモノクロ、グレースケールまたはカラーで投影することに関し、とりわけ、画像輝度を増大させ、かつ、スペックル雑音を低減し、同時に、電力消費を低く、解像度を高く、サイズを小型かつコンパクトに、動作を静かに、かつ、振動を最小限に維持することに関する。
【背景技術】
【０００２】
一対の走査ミラーに基づいて二次元画像をスクリーンに投影することが一般的に知られている。この一対の走査ミラーは、互いに直交する方向に発振することにより、ラスタパターン上でレーザ光線を走査する。例えば、特許文献１を参照のこと。しかしながら、既知の画像投影システムは、解像度が限られており、典型的には、６４０×４８０画素のビデオグラフィックアレイ（ＶＧＡ）の１／４未満の質である。既知の投影システムの物理的サイズおよび電力消費は、比較的高いものであるので、小型、携帯サイズかつバッテリ動作の用途に用いられるにはこれらの既知の投影システムを非実用的なものにしてしまう。また、走査ミラーの遅い走査レートは、使用中に不快な雑音および振動を発生する。レーザ光のコヒーレントな性質によって生じるスペックル雑音は、高画像品質を損う遍在する課題である。異なる波長（カラー）のレーザ光線によって形成されるカラー画像の場合、いくつかのレーザ源、例えば、半導体のシングルモードの赤レーザは、均一な輝度のカラー画像を生成するには不十分なパワーを有し、また他のレーザ源、例えば、緑レーザは、容易に利用可能ではない。
【特許文献１】米国特許第６，６５５，５９７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の一般的な目的は、均一な輝度のシャープかつ鮮明な二次元画像を投影面に投影する画像投影モジュールを提供することである。
【０００４】
本発明の別の目的は、このような投影モジュールにおける電力消費を最小限に抑えることである。
【０００５】
本発明のさらなる別の目的は、このようなモジュールによって投影される画像におけるスペックル雑音を取り除くことである。
【０００６】
本発明のさらなる別の目的は、動作中の不快な雑音および振動を取り除かないにしても低減することである。
【０００７】
さらなる目的は、異なるフォームファクタの多くの構成において便利である小型、コンパクト、軽量かつポータブルな画像投影モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの目的およびこれから明らかになるその他を踏まえると、本発明の１つの特徴は、簡単に述べると、互いに直交する縦方向および横方向に沿って延びる二次元画像を投影面に投影する画像投影モジュールにある。このモジュールは、支持部材、例えば、プリント回路基板と、発光ダイオードのアレイ、特に、エッジ放射発光ダイオード（ＥＥＬＥＤ；ｅｄｇｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）の一次元アレイとを含む。このアレイは、基板の縦方向に沿って延びており、活性化された際には、基板に対して概して平行である光学経路に沿ってそれぞれの光ビームを照射する。各ビームは、横方向に沿って回折が制限されており、縦方向に沿って回折が制限されていない。
【０００９】
このモジュールは、基板上の光学アセンブリであって、アレイを縦方向に沿って延びる画像線として投射面上で撮像する光学アセンブリをさらに含む。この光学アセンブリは、好ましくは、横方向に沿った光学パワーを有する円筒形のコリメータレンズであって、横方向に沿ってビームをコリメートするコリメータレンズと、縦方向に沿った光学パワーを有する円筒形の集束レンズであって、縦方向に沿ってビームを集束する集束レンズとを含む。
【００１０】
発振のために、走査ミラーが基板に対して相対的に実装され、横方向に沿って画像線を掃引するように動作可能である。画像線は、複数の画素、例えば、少なくとも約１６０画素を有する。アレイとミラーとに、コントローラが動作可能に接続されている。このコントローラは、ＥＥＬＥＤのいくつかを活性化することにより、それらに関連付けられた画素が照明するようにし、かつ、ＥＥＬＥＤの他のいくつかを非活性化することにより、それらに関連付けられた画素を照明しないようにするように動作可能である。これらの照明する画素と照明しない画素により、投影される二次元画像を構成する。
【００１１】
本発明によれば、レーザよりむしろダイオードを用いると、先行技術のスペックル雑音の課題が解消される。緑発光ダイオードは、より一般的であり、かつ、緑レーザと比較してより利用可能である。本発明のダイオードによって投影される画像は、先行技術のレーザベースの投影機によるよりもはるかに明るい。なぜなら、何百または何千ものダイオードの混合パワーは、１つまたは複数のレーザよりも強いからである。コンパクト化に関して、基板に関して考えると、横方向に沿う高さは最小である。なぜなら、コリメータレンズによってコリメートされた回折が制限されたビームは、１つの波長またはそれ未満に集束されるからである。
【００１２】
画像投影モジュールは、異なるファームファクタの筐体に交換可能に実装可能である。これらの異なるファームファクタの筐体は、ペン形状、銃形状または懐中電灯形状の機器、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ペンダント、腕時計、コンピュータ、つまり、コンパクトかつ小型サイズのためにいかなる形状をも含むが、これらに限定されない。投影された画像は、宣伝または信号目的のために、または、テレビまたはコンピュータモニタスクリーンに対して、つまり、表示されることが所望される任意の目的のために用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１の参照番号１０は、概して、携帯用機器、例えば、携帯情報端末を特定する。そこには、軽量かつコンパクトな画像投影モジュールが実装され、互いに直交する縦方向および横方向に沿って延びる二次元画像をモジュールから離れた位置にある投影面２０に投影するように動作可能である。例として、至近距離画像は、機器に比較的近く、例えば、２、３インチ離れて（ゼロ付近）位置づけられ得、遠距離画像は、機器から比較的離れて、例えば、２０インチより多く離れて（無限付近）位置づけられ得る。投影されている画像が、ゼロ付近、無限付近またはそれらの間のいかなる距離にあったとしても、画像の解像度は、ほぼ一定であり、従って、画像は、シャープかつ鮮明であり、この拡大された距離の範囲内のいかなる所でも焦点が合う。
【００１４】
機器１０の平行６面体形状は、モジュールが実装され得る筺体の単なる１つのファームファクタを表しているに過ぎない。この機器は、２、３つの好ましいファームファクタを記載するだけでも、ペン、携帯電話、貝殻（ｃｌａｍｓｈｅｌｌ）または腕時計といった形状であり得る。
【００１５】
好ましい実施形態では、モジュールは、およそ３０ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍ、または１立方ｃｍ未満である。このコンパクトかつ小型サイズにより、多くの多様な形状（大きいまたは小さい、携帯用または固定用）の筺体（いくつかは、オンボードディスプレイ１２、キーパッド１４、画像がそれを介して投影される光透過ウィンドウまたはポート３２を含む）にモジュールが実装されることを可能にする。
【００１６】
図２を参照すると、モジュールは、支持部材１６（例えば、プリント回路基板）と、エッジ放射発光ダイオード（ＥＥＬＥＤ）１８のアレイとを含む。このエッジ放射発光ダイオード１８のアレイは、縦方向２２に沿って一次元の行で基板に実装され、基板１６に対して概して平行かつ上方の光学径路に沿ってそれぞれの光ビーム２４を放射するように動作可能である。このＥＥＬＥＤ１８は、好適には、異方性の導電膜２６によってドライバ組込回路２８上に結合されている。ドライバ組込回路２８は、次いで、ダイボンディングペースト３０によって基板１６に結合されている。
【００１７】
各光ビーム２４は、光学径路に沿って分岐する。縦方向２２に直交する横方向沿って考えると、各ビーム２４は、横方向に沿って回折が制限されており、それ故に、以下に記載されるように、１つの波長またはそれ未満のサイズに集束され得る。赤、青、緑のＥＥＬＥＤについて、１つの波長は、それぞれ約０．６、０．４、０．５ミクロンである。縦方向２２に沿って考えると、各ビーム２４は、回折が制限されておらず、それ故に、ダイオードのサイズ、つまり、約２０ミクロンに集束され得る。
【００１８】
図３、図４に最も良く示されるように、ＥＥＬＥＤ１８から放射された各光ビーム２４は、円筒形のコリメータレンズ３４と円筒形の集束レンズ３６とを含む光学アセンブリを通過する。レンズ３４、３６は、それぞれのレンズホルダ（図示せず）によって離れて保持されており、基板１６上に固定されている。
【００１９】
レンズ３４は、横方向の光学パワーを有し、ビーム２４の回折が制限された横方向成分をコリメートすることにより、横方向にコリメートされたビーム３８を形成する。ビーム２４の縦方向成分は、レンズ３４を事実上何の影響を受けずに通過する。レンズ３４の高さは、横方向に沿って短く、約２ｍｍの焦点距離を有する。
【００２０】
レンズ３６は、縦方向の光学パワーを有し、ビーム２４の回折が制限されていない縦方向成分をコリメートすることにより、縦方向に集束されたビーム４０を形成する。ビーム２４の横方向成分は、レンズ３６を事実上何の影響を受けずに通過する。レンズ３６の高さもまた、横方向に沿って短く、約５０ｍｍの焦点距離を有する。
【００２１】
レンズ３４、３６を通過後、ビームは、走査ミラー４２に向かい、走査ミラー４２で反射されて、ウィンドウ３２を介して投影面２０（好ましくは、スクリーン）に投影されることにより、その上に画像線を生成する。ミラー４２は、ドライブ４４（図５参照）によって、横方向に沿って画像線を掃引することにより、２次元画像を構成する。走査レートは、４０〜６０Ｈｚのオーダであり、これは、過剰なちらつきなしに、人間の目の網膜に画像が残ることを可能するには十分に速い。
【００２２】
各画像線は、複数の画素を有する。画像の解像度は、好ましくは、６４０×４８０画素のＶＧＡ質である。いくつかの用途では、１／２のＶＧＡ質である３２０×４８０画素、または、１／４のＶＧＡ質である３２０×２４０画素が十分である。最低でも、１６０×１６０画素の解像度が所望される。
【００２３】
画像は、画像線の１つ以上における画素の選択的照明によって構成される。図５に示されているように、パワーコントローラ４６は、選択されたダイオード１８を活性化し、画像線における選択された画素を照明させ、目に見えるようにする。例えば、パワーコントローラ４６は、選択されたダイオード１８に電流を流し、選択されたダイオード１８を活性化することにより、各選択された画素において光を放射させ、電流を別の選択されたダイオード１８に流さず、別の選択されたダイオード１８を非活性化することにより、別の選択されていない画素を照明しない。その結果生じる照明している画素と照明していない画素とのパターンは、画像を構成し、この画像は、人間または機械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有り得る。
【００２４】
パワーコントローラ４６の動作によってマイクロプロセッサまたは制御回路の制御下で、選択された時間で、選択されたダイオードをオン・オフするように活性化またはパルス化することによって、ラスタパターンで画像が作成される。ダイオードは、可視光を生成し、所望の画像における画素を見ることが所望される場合にのみオンされる。ラスタパターンは、各線上の複数の画素、複数の線からなるグリッドである。画像は、選択された画素のビットマップである。すべての文字、数字、任意のグラフィックデザイン、ロゴ、さらに、コンピュータ読み取り可能なバーコードシンボルさえも、ビットマップ画像として形成され得る。
【００２５】
図５に示されているように、ホスト４８は、ビットマップ画像データ５０をメモリバッファ５２に送信する。メモリバッファ５２は、メモリコントローラ５４によって制御される。１つのフルＶＧＡフレームの格納は、約３００キロバイトを必要とする。２つのフルフレーム（６００キロバイト）のための十分なメモリをバッファ５２に有し、一方のフレームがホストによって書き込まれ、同時に他方のフレームが読み込まれ、投影されることを可能にすることが所望される。一方、バッファのサイズがフルフレームより小さい場合には、コントローラ５４は、ホストによって送信されたデータによりメモリが最大格納容量に達した後、線を表示することを開始し得、または、バッファから／バッファへの同時の読み出し／書き込みし得る。フレーム同期信号５６は、ホストによってコントローラ５４に送信される。
【００２６】
走査ミラー４２（Ｙ軸ミラーとしても知られる）は、ドライブ４４によって駆動され、メモリコントローラ５４によって制御される。
【００２７】
バッファ５２の出力は、ホストとフレーム同期（ｆｒａｍｅ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅ）し、かつ、走査ミラー４２とクロックおよび線同期（ｃｌｏｃｋ−ａｎｄ  ｌｉｎｅ−ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅ）したデジタル信号である。このデジタル信号は、変調器６０に送信される。変調器６０は、ＥＥＬＥＤ１８のアレイに接続されている。
【００２８】
本発明によれば、モジュールは、コンパクト、特に、横方向にコンパクトであり、それ故に、モジュールに対して平坦な側面を与える。具体的には、レンズ３４、３６、走査ミラー４２、ＥＥＬＥＤアレイ１８は、図３に最も良く示されるように、高さが短く、典型的には、高さが２ｍｍ未満であり、それにより、モジュールが、スリムなフォームファクタに適合するのに適している。
【００２９】
画像は、すべての照明している画素が同一の強度を有するモノクロであるか、または、照明している画素が可変の強度を有するグレースケールで有り得る。強度を変化させるために、変調器６０は、各画素が照明する時間を変化させるか、または、各画素に対する各ダイオードに印加される駆動電流の量を変化させ得る。
【００３０】
画像はまた、複数のＥＥＬＥＤアレイを用いることによってカラーになり得る。複数のＥＥＬＥＤアレイのそれぞれは、異なる波長を有し、互いに積み重ねられる。１つのダイオードのみが活性化された場合には、スクリーン上の画素が、活性化されたダイオードのカラーを有する。異なるカラーの２つ以上のダイオードが活性化された場合には、スクリーン上の画素が、すべての活性化されたダイオードの混合したカラーを有する。可視光スペクトルのいずれのカラーも、赤、緑、青ダイオードの１つの以上の選択的な重畳（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成され得る。
【００３１】
新規かつ、レターパテント（Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｐａｔｅｎｔ）によって保護されることが所望されるものとして請求される事項は、添付の請求項において記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明による画像を投影するための携帯用の装置の斜視図である。
【図２】図２は、図１の装置に備え付けるための、本発明による画像投影モジュールのエッジ放射発光ダイオードの切り欠き拡大斜視図である。
【図３】図３は、図１の装置において用いられるモジュールの切り欠き断面図である。
【図４】図４は、図３のモジュールの上面図である。
【図５】図５は、モジュールの動作を示す電気的概略ブロック図である。
【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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