图像投影设备、图像投影方法、距离测量设备和距离测量方法
阅读：735发布：2024-01-22
专利汇可以提供图像投影设备、图像投影方法、距离测量设备和距离测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种图像投影设备，该图像投影设备具有：能够改变焦点距离的可变焦点透镜（2）；利用由借助可变焦点透镜（2）收集的光形成的光束扫描将被投影光的面（12）的扫描装置（3）；测量在可变焦点透镜（2）和面（12）之间的距离的距离测量装置（9）；和，控制可变焦点透镜（2）从而可变焦点透镜（2）的焦点距离比借助距离测量装置（9）测量的距离更长的控制装置（4）。，下面是图像投影设备、图像投影方法、距离测量设备和距离测量方法专利的具体信息内容。
1.一种图像投影设备，包括：
可变焦点透镜，所述可变焦点透镜中焦距能够改变；
扫描单元，所述扫描单元借助被所述可变焦点透镜会聚的光束扫描投影面；
距离测量单元，所述距离测量单元测量从所述可变焦点透镜到所述投影面的距离；和控制单元，所述控制单元控制所述可变焦点透镜从而所述可变焦点透镜的焦距大于由所述距离测量单元测量的距离。
2.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中所述距离测量单元包括：
图像拾取单元，所述图像拾取单元捕捉借助来自所述扫描单元的光束而在所述投影面上显示的显示图像；
散斑对比度计算单元，所述散斑对比度计算单元基于来自所述图像拾取单元的图像数据，计算指示在所述投影面处产生的散斑的程度的散斑对比度；和
查找表单元，所述查找表单元对于所述可变焦点透镜被设定到的多个不同焦距中的每一个保存特征数据，所述特征数据指示所述散斑对比度与从被所述可变焦点透镜会聚的光束的束腰的位置到所述投影面的距离的改变相对的改变；所述查找表单元参考所保存的特征数据；并且所述查找表单元基于在由所述图像拾取单元图像拾取时设定的所述可变焦点透镜的焦距和在所述散斑对比度计算单元中计算的散斑对比度的值，获得从所述可变焦点透镜到所述投影面的距离。
3.根据权利要求2所述的图像投影设备，其中所述散斑对比度计算单元包括：
图像平均计算单元，所述图像平均计算单元基于来自所述图像拾取单元的图像数据计算所述显示图像的每一个像素的值的平均值；
图像标准偏差计算单元，所述图像标准偏差计算单元基于来自所述图像拾取单元的图像数据计算所述每一个像素的值的标准偏差；和
除法单元，所述除法单元将通过将在所述图像标准偏差计算单元中计算的标准偏差的值除以在所述图像平均计算单元中计算的平均值而获得的值作为所述散斑对比度供应。
4.根据权利要求2所述的图像投影设备，进一步包括：
偏振光束分裂器，所述偏振光束分裂器透射第一偏振分量的光并且反射与所述第一偏振分量不同的第二偏振分量的光；和
激光光源，所述激光光源通过所述偏振光束分裂器向所述可变焦点透镜供应所述第一偏振分量的光束；
其中所述偏振光束分裂器在从所述可变焦点透镜照射的光束中朝向所述图像拾取单元反射所述第二偏振分量的光。
5.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中所述距离测量单元包括：
光检测单元，所述光检测单元检测由于来自所述扫描单元的光束被所述投影面反射而得到的反射光并且供应指示该反射光的强度变化的时间序列强度信号；
散斑对比度计算单元，所述散斑对比度计算单元基于从所述光检测单元供应的时间序列强度信号，计算指示在所述投影面处产生的散斑的程度的散斑对比度；和查找表单元，所述查找表单元对于所述可变焦点透镜被设定到的多个不同焦距中的每一个保存特征数据，所述特征数据指示所述散斑对比度与从被所述可变焦点透镜会聚的光束的束腰的位置到所述投影面的距离的改变相对的改变；所述查找表单元参考所保存的特征数据；并且所述查找表单元基于在由所述光检测单元检测反射光时设定的所述可变焦点透镜的焦距和在所述散斑对比度计算单元中计算的散斑对比度的值，获得从所述可变焦点透镜到所述投影面的距离。
6.根据权利要求5所述的图像投影设备，其中所述散斑对比度计算单元包括：
第一平方律电路，所述第一平方律电路将来自所述光检测单元的时间序列强度信号的值平方；
第一积分电路，所述第一积分电路计算所述第一平方律电路的输出信号的每预定时间间隔的平均值；
第二积分电路，所述第二积分电路计算来自所述光检测单元的时间序列强度信号的每所述预定时间间隔的平均值；
第二平方律电路，所述第二平方律电路将所述第二积分电路的输出信号的值平方；
减法电路，所述减法电路在从所述第一积分电路供应的所述时间序列强度信号的平方的时间平均的值中减去从所述第二平方律电路供应的所述时间序列强度信号的时间平均的平方的值；和
除法器，所述除法器将通过将所述减法电路的输出值除以从所述第二平方律电路供应的所述时间序列强度信号的时间平均的平方的值而获得的值作为所述散斑对比度的平方的值供应。
7.根据权利要求5所述的图像投影设备，进一步包括：
偏振光束分裂器，所述偏振光束分裂器透射第一偏振分量的光并且反射不同于所述第一偏振分量的第二偏振分量的光；和
激光光源，所述激光光源通过所述偏振光束分裂器向所述可变焦点透镜供应所述第一偏振分量的光束；
其中所述偏振光束分裂器在从所述可变焦点透镜照射的光束中朝向所述光检测单元反射所述第二偏振分量的光。
8.根据权利要求6所述的图像投影设备，其中所述扫描单元包括：
第一扫描单元，所述第一扫描单元沿着第一方向扫描来自所述可变焦点透镜的光束；
和
第二扫描单元，所述第二扫描单元沿着与所述第一方向相交叉的第二方向扫描来自所述第一扫描单元的光束；
其中所述预定时间间隔是由所述第一扫描单元的所述第一方向的一条扫描线的扫描时间的一半。
9.根据权利要求1所述的图像投影设备，其中所述控制单元：保存瑞利长度对应信息，所述瑞利长度对应信息指示在所述可变焦点透镜的焦距和瑞利长度之间的对应关系；当改变所述可变焦点透镜的焦距时参考所述瑞利长度对应信息；并且确定所述可变焦点透镜的焦距，从而在改变之后的焦距和由所述距离测量单元获取的距离之间的差分是在由这个改变之后的焦距中的瑞利长度规定的范围内。
10.一种图像投影方法，用于通过利用被焦距能够改变的可变焦点透镜会聚的光束扫描投影面而显示图像，包括：
测量从所述可变焦点透镜到所述投影面的距离并且将所述可变焦点透镜中的焦距设定为大于所测量的距离。
11.一种距离测量设备，包括：
可变焦点透镜，所述可变焦点透镜中焦距能够改变；
扫描单元，所述扫描单元借助被所述可变焦点透镜会聚的光束扫描检测物体面；
图像拾取单元，所述图像拾取单元拾取被所述光束扫描的检测物体面；
散斑对比度计算单元，所述散斑对比度计算单元基于来自所述图像拾取单元的图像数据，计算指示在所述检测物体面处产生的散斑的程度的散斑对比度；和查找表单元，所述查找表单元对于所述可变焦点透镜被设定到的多个不同焦距中的每一个保存特征数据，所述特征数据指示所述散斑对比度与从被所述可变焦点透镜会聚的光束的束腰的位置到所述检测物体面的距离的改变相对的改变，所述查找表单元参考所保存的特征数据，并且所述查找表单元基于在由所述图像拾取单元图像拾取时设定的所述可变焦点透镜的焦距和在所述散斑对比度计算单元中计算的散斑对比度的值，获取从所述可变焦点透镜到所述检测物体面的距离。
12.一种距离测量方法，包括：
利用被焦距能够改变的可变焦点透镜会聚的光束扫描检测面以捕捉被所述光束扫描的检测面的图像；
基于通过捕捉所述图像获得的图像数据，计算指示在所述检测面处产生的散斑的程度的散斑对比度；和
参考其中保存了特征数据的表格，所述特征数据对于所述可变焦点透镜被设定到的多个不同焦距中的每一个，指示所述散斑对比度与从被所述可变焦点透镜会聚的光束的束腰的位置到所述检测面的距离的改变相对的改变，并且基于在所述图像拾取时设定的所述可变焦点透镜的焦距和所计算的所述散斑对比度的值，计算从所述可变焦点透镜到所述检测面的距离。
13.根据权利要求1所述的图像投影设备，进一步包括：
光源；
其中所述可变焦点透镜会聚来自所述光源的光束。
14.根据权利要求1所述的图像投影设备，进一步包括：
光源驱动电路，所述光源驱动电路根据输入视频信号产生调制信号；和光源，从所述光源驱动电路向所述光源供应所述调制信号，并且所述光源输出基于所述调制信号而被调制的光束；
其中所述可变焦点透镜会聚来自所述光源的光束。
15.根据权利要求11所述的距离测量设备，进一步包括：
光源；
其中所述可变焦点透镜会聚来自所述光源的光束。
图像投影设备、图像投影方法、距离测量设备和距离测量方
法
技术领域
背景技术
[0002] 专利文献1描述了一种通过利用根据视频信号调制的光束扫描投影面而显示图像的图像显示设备。这个图像显示设备包括会聚(condense)来自光源的光束的会聚光学系统(condensing optics)和设置有反射镜的扫描单元，该反射镜朝向投影面反射已经被这些会聚光学系统会聚的光束。
[0003] 会聚光学系统在与在反射镜和投影面之间的中点相比更加远离反射镜的位置处形成束腰。以此方式，能够减小在扫描单元的反射镜上的束半径，并且进而能够抑制在投影面上的束半径的放大，由此使得能够实现更加紧凑的反射镜和更高分辨率的图像显示。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
发明内容
[0008] 在于专利文献1中描述的图像显示设备中，在扫描单元的反射镜和投影面之间的比中点更加远离反射镜的位置处形成束腰。同样在这种配置中，上述散斑也发生，从而导致图像质量的降低。
[0009] 本发明的一个目的在于提供能够可靠地减轻散斑并且因此解决上述问题的一种图像投影设备和图像投影方法。
[0010] 为了实现上述目的，根据本发明的一个方面的图像投影设备包括：
[0011] 可变焦点透镜（variable-focus lens），其中焦距能够改变；
[0012] 扫描装置，其利用被可变焦点透镜会聚的光束扫描投影面；
[0013] 距离测量装置，其测量从可变焦点透镜到投影面的距离；和
[0014] 控制装置，其控制可变焦点透镜从而可变焦点透镜的焦距大于由距离测量装置测量的距离。
[0015] 根据本发明的一个方面的图像投影方法是用于通过利用已经被焦距能够改变的可变焦点透镜会聚的光束扫描投影面而显示图像的图像投影方法，该图像投影方法包括：
[0016] 测量从可变焦点透镜到投影面的距离并且将可变焦点透镜中的焦距设定为大于所测量的距离。
[0018] 图1A是示出当平行光照射在散射物体上时发生的合成波前（synthesized wavefront）的状态的示意性视图；
[0019] 图1B是示出当发散光照射在散射物体上时发生的合成波前的状态的示意性视图；
[0020] 图1C是示出当收敛光(convergent light)照射在散射物体上时发生的合成波前的状态的示意性视图；
[0021] 图2A是用于描述当投影面被会聚束扫描时波前的状态的示意性视图；
[0022] 图2B是示出当投影面相对于束腰前后地移动时散斑对比度的改变的特征图表；
[0023] 图3是示出是本发明的第一示例性实施例的图像投影设备的主要部分的配置的示意性视图；
[0024] 图4是示出图3所示图像投影设备的可变焦点透镜的实例的示意性视图；
[0025] 图5A是示出图3所示图像投影设备的可变焦点透镜的另一个实例的示意性视图；
[0026] 图5B是示出在图5A所示可变焦点透镜中形成的菲涅耳波带片的图案的一个实例的示意性视图；
[0027] 图6是用于描述图3所示图像投影设备的操作的流程图；
[0028] 图7是示出是本发明的第二示例性实施例的图像投影设备的主要部分的配置的示意性视图；
[0029] 图8是示出是本发明的第三示例性实施例的图像投影设备的主要部分的示意性视图；
[0030] 图9是示出图8所示图像投影设备的散斑对比度计算装置的配置的框图；
[0031] 图10是示出来自图8所示图像投影设备中的可变焦点透镜的光束的束腰的位置的示意性视图；
[0032] 图11是示出是本发明的另一示例性实施例的图像投影设备的总体配置的框图；
[0033] 图12是示出在图11所示图像投影设备中使用的红色激光光源和蓝色激光光源的配置的框图；
[0034] 图13A是示出在图11所示图像投影设备中使用的绿色激光光源的配置的框图；
[0035] 图13B是示出在图11所示图像投影设备中使用的绿色激光光源的另一配置的框图。
[0036] 引用数字的解释
[0037] 2可变焦点透镜
[0038] 3扫描装置
[0039] 4控制装置
[0040] 5图像拾取装置
[0042] 5b图像拾取透镜
[0043] 6图像存储器
[0044] 7散斑对比度计算装置
[0045] 7a图像平均计算装置
[0046] 7b图像标准偏差计算装置
[0047] 7c除法装置
[0048] 8查找表（look-up table）装置
[0049] 9距离测量装置
具体实施方式
[0050] 本申请的发明人分析了发生散斑的原因并且获取了在下文中描述的新的信息。
[0051] 图1A是示出当平行光照射在散射物体上时产生的合成波前的状态的示意性视图。当平行光100到达散射物体101时，在散射物体101处产生次级球面波。由这些次级球面波的合成波前和平行光100的波前规定的波矢量的方向变成发散方向，并且波矢量的分散变大。散斑随着波矢量的分散的增加而增加。
[0052] 图1B是示出当发散光照射在散射物体上时产生的合成波前的状态的示意性视图。当发散光110到达散射物体111时，在散射物体111处产生次级球面波。由这些次级球面波的合成波前和发散光110的波前规定的波矢量的方向变成与图1A所示情形相比更大地发散（分散）的方向。在此情形中波矢量的分散进而大于图1A所示情形，并且散斑因此更大。
[0053] 图1C是示出当收敛光照射在散射物体上时产生的合成波前的状态的示意性视图。当收敛光120到达散射物体121时，在散射物体121处产生次级球面波。由这些次级球面波的合成波前和收敛光120的波前规定的波矢量是基本平行的。在此情形中波矢量的分散小于图1A和图1B所示情形，并且结果，存在较轻的散斑。
[0054] 如能够从图1A–1C看到地，优选地由收敛光扫描投影面（散射物体）。
[0055] 然而，在激光被会聚并且投影面然后被会聚束扫描的光学扫描系统中，发生如此情形，其中取决于从系统到投影面的距离，在投影面上投影的束并不变成收敛光。
[0056] 图2A是当投影面被会聚束扫描时波前的示意性视图。
[0057] 在图2A所示系统中，来自激光光源200的激光被会聚透镜201会聚。扫描装置202利用来自会聚透镜201的束扫描投影面203。从会聚透镜201发射的束作为收敛球面波205传播，并且然后利用在此处形成束腰204的位置作为边界，从会聚透镜201发射的束的状态从收敛球面波205改变为发散球面波206。
[0058] 当投影面203从束腰204朝向会聚透镜201侧定位时，投影面203被收敛球面波205的束扫描。在此情形中，投影面203被收敛光扫描，由此散斑能够减轻。
[0059] 相反，当投影面203比束腰204更加远离会聚透镜201定位时，投影面203被发散球面波206的束扫描。在此情形中，投影面203被发散光扫描，并且散斑因此变得难以减轻。
[0060] 图2B示出当投影面利用束腰的位置作为基准前后地移动时散斑对比度（%）的改变。散斑对比度指示散斑的程度，并且更加具体地，是通过将像素值的标准偏差值除以每一个像素的平均值而获得的、用于散斑图像的值。在图2B中，水平轴线指示距束腰的距离（mm）。束腰的位置被假设为“0”，其中会聚透镜201侧由负号指示，并且相反侧由正号指示。另外，分别地对于其中会聚透镜201的焦距是300mm、400mm和500mm的情形利用虚线（短）、实线和虚线（长）示出散斑对比度的改变。
[0061] 如能够从图2B看到地，当投影面从束腰的位置定位在会聚透镜侧上时，散斑对比度减小。在此情形中，散斑对比度随着投影面到会聚透镜的接近度增加而减小。散斑对比度随着焦距减小而减小。
[0062] 在另一方面，当投影面与束腰的位置相比位于更加远离会聚透镜的一侧上时，散斑对比度增加。在此情形中，散斑对比度随着投影面变得越来越远离束腰的位置而增加。散斑对比度随着焦距减小而增加。
[0063] 因此，在投影面被激光（高斯束）扫描的光学扫描系统中，投影面必须比束腰的位置更加靠近会聚透镜定位从而减小散斑对比度。
[0064] 另外，当在投影面上的束半径大时，分辨率降低。因此，投影面优选地位于束腰的附近从而限制分辨率的降低。更加具体地，将束腰取作基准，投影面优选地位于由从该基准的瑞利长度规定的范围（其中束半径为 倍的距离范围）内。
[0065] 然而，因为投影面被使用者布置在任何位置处，所以取决于投影面的布置位置，束腰有时位于投影面之前。在这种情形中，不能获得借助收敛光减小散斑对比度的效果。
[0066] 尚未提出能够借助收敛光可靠地获得上述减轻散斑的效果的技术。
[0067] 下面作为本发明的示例性实施例描述了使得能够与投影面的位置无关地利用收敛光可靠地扫描投影面的图像投影设备。
[0068] 第一示例性实施例
[0069] 图3是示出是本发明的第一示例性实施例的图像投影设备的主要部分的配置的示意性视图。
[0070] 参考图3，该图像投影设备包括激光光源1、可变焦点透镜2、扫描装置3、控制装置4，和距离测量装置9。扫描装置3利用被焦距能够改变的可变焦点透镜2会聚的光束扫描投影面12。距离测量装置9测量从可变焦点透镜2到投影面12的距离。控制装置4控制可变焦点透镜2从而可变焦点透镜2的焦距比在距离测量装置9中测量的距离更长。
[0071] 下面更加详细地描述了可变焦点透镜2、扫描装置3、控制装置4，和距离测量装置9。
[0072] 可变焦点透镜2和扫描装置3沿着来自激光光源1的激光的行进方向被按照该次序布置。可变焦点透镜2被配置为使得焦距根据来自控制装置4的控制信号改变。可变焦距的范围例如从50mm到无穷远。
[0073] 图4示出可变焦点透镜2的一个实例。参考图4，可变焦点透镜2由变焦镜头（zoom lens）制成，该变焦镜头由会聚透镜20和发散透镜21构成。在这个可变焦点透镜2中，在会聚透镜20和发散透镜21之间的距离根据来自控制装置4的控制信号而改变，由此焦距改变。
[0075] 菲涅耳波带片由其中透明环和不透明环被交替地布置的多个同心圆环构成。菲涅耳波带片包括其中透明环和不透明环中的每一个的相差分别地是0和π的相位型菲涅耳波带片，和其中透明环的透射率和不透明环的透射率分别地是100%和0%的透射型菲涅耳波带片。
[0076] 如在图5B中所示，菲涅耳波带片的焦距由在透明环和不透明环之间的间隔和环的宽度确定。在空间光调制器22中，菲涅耳波带片图案根据来自控制装置4的控制信号而改变，由此焦距连续地或者逐步地改变。当显示如在图5B中的所示焦距短的菲涅耳波带片图案时，如在图5A中所示获得了具有大会聚角的第一束23a。当显示如在图5B中所示的焦距长的菲涅耳波带片图案时，如在图5A中所示获得了具有小会聚角的第二束23b。
[0077] 除上述实例之外，诸如变焦距透镜（varifocal lens）、变焦距反射镜（varifocal mirror）或者液晶透镜的组件也能够被用作可变焦点透镜2。
[0078] 变焦距透镜是其中液体填充透镜形空间并且填充该空间的液体的压力根据来自控制装置4的控制信号而改变的组件。这个压力变化改变透镜的形状，由此焦距改变。
[0079] 变焦距反射镜是其中反射镜形状由于诸如静电力、磁力或者压力的作用力而改变的组件。反射镜形状利用符合来自控制装置4的控制信号的静电力（或者磁力或者压力）而改变，由此焦距也改变。
[0081] 再次参考图3，距离测量装置9包括图像拾取装置、图像存储器6、散斑对比度计算装置7，和查找表装置8。
[0082] 图像拾取装置5是捕捉在投影面12上显示的图像并且包括图像传感器5a和图像拾取透镜5b的组件。作为图像拾取透镜5b的一个实例，使用焦距是18mm、光瞳直径是2.25mm、并且F数是8的透镜。利用这种透镜，对于波长为532nm的光的分辨率极限是5μm。
[0083] 图像传感器5a由二维面积传感器构成，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体）传感器或者CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合器件）传感器是代表性的二维面积传感器。在此情形中，图像传感器5a由例如1000像素×1000像素并且具有例如2.2μm的像素间距的CMOS传感器构成。使得像素间距不大于图像拾取透镜5b的分辨率极限的一半抑制了衍射对于图像的影响。
[0084] 一维线传感器能够被用作图像传感器5a。当使用一维线传感器时，柱面透镜可以被用作图像拾取透镜5b。
[0085] 图像传感器5a的输出被供应到图像存储器6。从图像传感器5a供应的图像数据被存储在图像存储器6中。已经被存储在图像存储器6中的图像数据被供应到散斑对比度计算装置7。
[0086] 散斑对比度计算装置7是基于来自图像存储器6的图像数据（散斑图像数据）计算散斑对比度并且包括图像平均计算装置7a、图像标准偏差计算装置7b和除法装置7c的组件。来自图像存储器6的图像数据被供应到图像平均计算装置7a和图像标准偏差计算装置7b。
[0087] 图像平均计算装置7a计算来自图像存储器6的图像数据的每一个像素的值的平均值。来自图像平均计算装置7a的输出（平均值）被供应到除法装置7c。
[0088] 图像标准偏差计算装置7b对于来自图像存储器6的图像数据的每一个像素的值推导标准偏差并且将这个标准偏差值供应到除法装置7c。
[0089] 除法装置7c将从图像标准偏差计算装置7b供应的标准偏差的值除以从图像平均计算装置7a供应的平均值并且将计算结果作为散斑对比度的值供应到查找表装置8。
[0090] 查找表装置8对于可变焦点透镜2的每一个焦距保持特征数据，该特征数据指示当投影面利用束腰的位置作为基准前后地移动时散斑对比度的改变。例如，查找表装置8保持图2B所示特征数据。查找表装置8参考所保持的特征数据，并且基于从除法装置7c供应的散斑对比度的值，计算从可变焦点透镜2到投影面12的距离。
[0091] 由查找表装置8实现的距离的计算结果被从距离测量装置9供应到控制装置4。控制装置4控制可变焦点透镜2从而可变焦点透镜2的焦距大于从距离测量装置9供应的距离。
[0092] 下面描述了本示例性实施例的图像投影设备的操作。
[0093] 本示例性实施例的图像投影设备特征在于控制可变焦点透镜2从而来自可变焦点透镜2的光束的束腰比投影面12更深地定位，其它控制基本上与现有图像投影设备的控制相同。因此，在下文中描述了特征控制（焦距设定方法）并且省略了其它控制的解释。
[0094] 图6是示出设定可变焦点透镜2的焦距的方法的程序的流程图。
[0095] 参考图6，控制装置4首先设定可变焦点透镜2的焦距的初始值并且向距离测量装置9报告这个设定值（步骤S10）。图像拾取装置5接着捕捉在投影面上显示的图像（步骤S11）。捕捉的图像数据通过图像存储器6而被供应到散斑对比度计算装置7。
[0096] 散斑对比度计算装置7接着基于在步骤S11中捕捉的图像数据计算散斑对比度（步骤S12）。在计算这个散斑对比度的过程中，图像平均计算装置7a计算图像数据的每一个像素的值的平均值并且图像标准偏差计算装置7b对于图像数据的每一个像素的值计算标准偏差。除法装置7c然后将在图像标准偏差计算装置7b中计算的标准偏差的值除以在图像平均计算装置7a中计算的平均值并且将计算结果作为散斑对比度的值供应。
[0097] 当计算散斑对比度时，查找表装置8从所保持的特征数据中识别与在步骤S10中从控制装置4供应的焦距的值（初始值）对应的特征数据。查找表装置8进一步参考所识别的特征数据并且基于在步骤S12中计算的散斑对比度的值获得从可变焦点透镜2到投影面12的距离。
[0098] 最后，控制装置4控制可变焦点透镜2从而可变焦点透镜2的焦距大于在步骤S13中计算的距离（步骤S14）。
[0099] 例如，当查找表装置8保持图2B所示特征数据，可变焦点透镜2的焦距的初始值是300mm，并且由散斑对比度计算装置7计算的散斑对比度的值是20%时，通过以下程序执行上述步骤S13和S14的过程。
[0100] 查找表装置8首先从图2B所示特征数据获得焦距为300mm的特征数据。查找表装置8接着参考所获取的特征数据（焦距300mm）并且相对于与20%的散斑对比度值对应的束腰识别投影面位置。在此情形中，能够确认投影面12处于从束腰的位置在发散的方向上被以150mm分离的位置。根据这个结果，能够看到从可变焦点透镜2到投影面12的距离是450mm（=300mm+150mm）。
[0101] 因为从可变焦点透镜2到投影面12的距离是450mm，所以控制装置4控制可变焦点透镜2从而可变焦点透镜2的焦距大于450mm。例如，控制装置4将可变焦点透镜2的焦距设定为500mm。
[0102] 可以当图像投影设备被启动时执行或者可以当按下被设置在图像投影设备的控制台上的特定按钮时执行图6所示过程。另外，可以重复步骤S11–S14的过程。在这种重复处理中的、步骤S13的距离计算过程中，参考与在前一步骤S14中改变的焦距对应的特征数据。
[0103] 根据本示例性实施例的图像投影设备，图像投影设备被设定为使得使用者自由地布置投影面12，随后执行图6所示处理。以此方式，来自可变焦点透镜2的光束的束腰可靠地比投影面12更深地定位，由此投影面12能够被收敛光扫描。因此，能够与投影面的布置位置无关地获得借助收敛光减轻散斑的效果。
[0104] 例如，当从扫描装置3到投影面12的距离在从100mm到1000mm的范围中时，能够总是在投影面12上形成其中散斑被减轻到散斑对比度为13%的水平的收敛光投影区域。
[0105] 第二示例性实施例
[0106] 图7是示出是本发明的第二示例性实施例的图像投影设备的主要部分的配置的示意性视图。
[0107] 本示例性实施例的图像投影设备不同于第一示例性实施例之处在于，构成距离测量装置9的图像拾取装置被配置为通过偏振光束分裂器（PBS）10捕捉投影面12的图像。该配置在其它方面基本上与第一示例性实施例的配置相同，并且因此这里省略了多余的解释。
[0108] PBS 10被沿着来自激光光源1的光束（P-偏振光）的行进方向设置。来自激光光源1的光束（P-偏振光）透射通过PBS 10。可变焦点透镜2和扫描装置3沿着透射通过PBS10的光束（P-偏振光）的行进方向被按照该次序布置。
[0109] 当投影面12是漫射面时，来自被来自扫描装置3的光束（P-偏振光）照射的部分的反射光包括P-偏振光和S-偏振光。来自投影面12的反射光（P-偏振光+S-偏振光）相继地经过扫描装置3和可变焦点透镜2并且到达PBS 10。
[0110] 在来自投影面12的反射光中，P-偏振光透射通过PBS 10，并且S-偏振光被PBS10在图像拾取透镜5b的方向上反射。
[0111] 在本示例性实施例中，在投影面12上的图像通过扫描装置3、可变焦点透镜2、PBS10和图像拾取透镜5b在图像传感器5a上形成。来自图像传感器5a的图像数据通过图像存储器6而被供应到散斑对比度计算装置7。然后通过图6所示过程实现调节从而可变焦点透镜2的焦距大于从可变焦点透镜2到投影面12的距离。
[0112] 作为实例，具有4mm的焦距并且F数为20的透镜被用作图像拾取透镜5b。光阑5c被设置在图像拾取透镜5b的入射面侧上。光阑5c的直径例如是0.2mm。在此情形中，关于波长为532nm的光的分辨率极限是13μm。500像素×500像素CMOS传感器（5μm像素间距）被用作图像传感器5b。因为光阑5c的直径是0.2mm，所以当可变焦点透镜2的焦距是1000mm时，如从图像捕捉侧看到的F数是5000。在此情形中焦深是±800mm，并且图像拾取透镜5b因此能够在从200mm到1800mm的范围内维持聚焦状态。因此能够抑制由于可变焦点透镜2的焦距改变而发生的未聚焦图像的捕捉。
[0113] 除了由第一示例性实施例展示的相同的作用和效果，在本示例性实施例中扫描系统和图像拾取系统的一体化使得能够实现更加紧凑的图像投影设备。
[0114] 第三示例性实施例
[0115] 图8是示出是本发明的第三示例性实施例的图像投影设备的主要部分的配置的示意性视图。
[0116] 本示例性实施例的图像投影设备不同于第二示例性实施例之处在于，替代图像传感器5a、图像存储器6和散斑对比度计算装置7，设置了是光检测装置的光电二极管5d，和散斑对比度计算装置70。该配置在其它方面基本上与第二示例性实施例相同，并且因此这里省略了多余的解释。
[0117] 图9示出散斑对比度计算装置70的配置。参考图9，散斑对比度计算装置70包括积分电路71和74、平方律电路72和73、减法器75，和除法器76。
[0118] 光电二极管5d的输出信号I（x）被供应到积分电路71和平方律电路73。积分电路71计算从光电二极管5d供应的值I（x）的平均∑I（x）的值。平方律电路73将从光电二极管5d供应的I（x）的值平方。积分电路71的输出被供应到平方律电路72，并且平方律电路73的输出被供应到积分电路74。
[0119] 平方律电路72将从积分电路71供应的平均∑I（x）的值平方。积分电路74计2 2
算从平方律电路73供应的值I（x）的平均∑I（x）的值。平方律电路72的输出（∑I
2 2
（x））被供应到减法器75和除法器76的负侧输入。积分电路74的输出∑I（x）被供应到减法器75的正侧输入。
算从平方律电路73供应的值I（x）的平均∑I（x）的值。平方律电路72的输出（∑I
2 2
（x））被供应到减法器75和除法器76的负侧输入。积分电路74的输出∑I（x）被供应到减法器75的正侧输入。
[0120] 减法器75供应通过在从积分电路74供应的值∑I（x）2中减去从平方律电路722
供应的（∑I（x））的值而获得的值（方差）。减法器75的输出（方差）被供应到除法器76。
供应的（∑I（x））的值而获得的值（方差）。减法器75的输出（方差）被供应到除法器76。
[0121] 除法器76将从减法器75供应的值（方差）除以从平方律电路72供应的值（∑I2
（x））。计算结果对应于通过将散斑对比度平方获得的值。除法器76的输出被供应到图8的查找表装置8。
（x））。计算结果对应于通过将散斑对比度平方获得的值。除法器76的输出被供应到图8的查找表装置8。
[0122] 在查找表装置8中，基于通过取除法器76的输出值（通过将散斑对比度平方获得的值）的平方根而获得的值来获得从可变焦点透镜2到投影面12的距离。控制装置4控制可变焦点透镜2从而可变焦点透镜2的焦距大于在查找表装置8中获取的距离（从可变焦点透镜2到投影面12的距离）。
[0123] 下面描述了本示例性实施例的图像投影设备的操作。
[0124] 在上述第一和第二示例性实施例中，基于来自图像传感器的图像数据计算散斑对比度。本示例性实施例的图像投影设备不同于第一和第二示例性实施例之处在于，基于从光电二极管5d供应的光强度I（x）的时间序列（time-series）信号计算了通过将散斑对比度平方而获得的值。除了散斑对比度的计算之外的处理与图6所示处理相同。
[0125] 下面更加具体地描述了计算散斑对比度的过程。
[0126] 在时间t投影面12的束位置被定义为x（t）=v×t（其中v是扫描速率）。在时间t，由光电二极管5d检测的光强度I（x）对应于在投影面12上显示的图像，并且其时间序列信号是I（v×t）。
[0127] 在计算散斑对比度的过程中，由积分电路71和平方律电路72实现的第一过程和由平方律电路73和积分电路74实现的第二过程被并行地执行。
[0128] 在第一过程中，得到从光电二极管5d供应的时间序列强度信号I（x）的平均值（每预定时间间隔的平均值），随后得到这个值的平方的值。在第二过程中，在另一方面，得到从光电二极管5d供应的时间序列强度信号I（x）的平方的值，随后得到这个值的平均值（每预定时间间隔的平均值）。
[0129] 接着，根据在第一过程的结果（I（x）的平均的平方）和第二过程的结果（I（x）的平方的平均）之间的差分得到强度信号I（x）的标准偏差的平方的值（方差）。然后通过将强度信号I（x）的标准偏差的平方的值除以强度信号I（x）的平均的平方而得到散斑对比度的平方的值。
[0130] 在上述计算散斑对比度的过程中，当水平扫描时间（水平扫描频率15kHz的倒数）例如是66.6μs时，积分电路71和74的积分作用时间被设定为33.3μs（对应于在以上解释中的预定时间间隔）。更加具体地，该预定时间间隔被设定为一条水平扫描线的扫描时间的一半，由此能够计算一条水平扫描线的散斑对比度。在此情形中，光电二极管5d的截止频率是40MHz，并且用于图像显示的时钟至少是18.4MHz两倍的值。
[0131] 积分作用时间（预定时间间隔）不限于上述值。任何时间均可以被设定为积分时间（预定时间间隔），只要能够计算散斑对比度。
[0132] 在本示例性实施例的图像投影设备中，散斑对比度计算装置可以由或者模拟算术电路或者数字算术电路实现。在数字算术电路中，光电二极管5d的输出信号在AD转换器中采样并且然后基于采样数据得到散斑对比度的平方的值。
[0133] 在本示例性实施例的图像投影设备中，如在第一和第二示例性实施例中，来自可变焦点透镜2的光束的束腰必要地被布置在比投影面12更深的位置处，由此投影面12能够被收敛光扫描。因此，能够与投影面的布置位置无关地获得借助收敛光减轻散斑的效果。
[0134] 另外，根据本示例性实施例的图像投影设备，能够例如对于每一条水平扫描线重复图6所示步骤S11–S14的处理，并且结果，能够根据垂直扫描位置（每一条水平扫描线的位置）控制可变焦点透镜2的焦距。因此，当如在图10中所示投影面12相对于垂直方向发生倾斜时，能够实现控制从而来自可变焦点透镜2的光束的束腰必要地在整个垂直扫描方向之上比投影面12更深地定位。因此能够在显示图像的整个垂直扫描方向之上获得借助收敛光减轻散斑的效果。
[0135] 进而，当部分或者整个投影面12是曲面时，能够实现控制从而来自可变焦点透镜2的光束的束腰必要地在整个垂直扫描方向之上比投影面12更深地定位。结果，能够在显示图像的整个垂直扫描方向之上获得借助收敛光减轻散斑的效果。
[0136] 在上述示例性实施例中的每一个之中，分辨率均随着在投影面12上的束半径的增加而降低。为了抑制分辨率的降低，投影面12优选地被布置在束腰的附近。更加具体地，将束腰取作基准，投影面12优选地被布置在由从该基准的瑞利长度规定的范围（其中束半径为 倍的距离范围）内。
[0137] 为了抑制分辨率的降低，控制装置4保持示出在可变焦点透镜2的焦距和瑞利长度之间的对应关系的、对应于瑞利长度的信息，并且在于图6所示步骤S14中更改焦距时，可以实现在下文中描述的过程。
[0138] 控制装置4更改可变焦点透镜2的焦距从而可变焦点透镜2的焦距大于由查找表装置8获取的距离。在这个焦距更改中，控制装置4参考瑞利长度对应信息并且确定可变焦点透镜2的焦距，从而在更改之后的焦距和由查找表装置8获取的距离之间的差分是在由更改之后的焦距中的瑞利长度规定的范围内。
[0139] 以此方式，来自可变焦点透镜2的光束的束腰必要地比投影面12更深地定位，并且进而，投影面12位于光束的瑞利长度的范围内。因此，能够提供具有高分辨率的显示图像。
[0140] 特别地，在第三示例性实施例的图像投影设备中应用基于上述瑞利长度的控制导致束腰比投影面12更深地定位，并且进而，投影面12在整个垂直扫描方向之上位于光束的瑞利长度的范围内。因此，能够在整个垂直扫描方向之上获得具有高分辨率并且被聚焦的图像。
[0141] 上述示例性实施例中的每一个的图像投影设备均还能够被应用于其中显示彩色图像的配置。
[0142] 图11是示出是本发明的另一示例性实施例的图像投影设备的总体配置的框图。参考图11，该图像投影设备包括：可变焦点透镜2、扫描装置3、控制装置4、距离测量装置
9、光源驱动电路30、绿色激光光源31、红色激光光源32、蓝色激光光源33、反射镜34，和二向色棱镜35和36。可变焦点透镜2、扫描装置3、控制装置4和距离测量装置9全部与在上述示例性实施例中的每一个之中的组件相同。
9、光源驱动电路30、绿色激光光源31、红色激光光源32、蓝色激光光源33、反射镜34，和二向色棱镜35和36。可变焦点透镜2、扫描装置3、控制装置4和距离测量装置9全部与在上述示例性实施例中的每一个之中的组件相同。
[0143] 光源驱动电路30根据输入视频信号产生绿色激光调制信号、红色激光调制信号和蓝色激光调制信号中的每一个。绿色激光调制信号被供应到绿色激光光源31。红色激光调制信号被供应到红色激光光源32。蓝色激光调制信号被供应到蓝色激光光源33。
[0144] 图12示出被用作红色激光光源32或者蓝色激光光源33的激光光源的配置。
[0145] 图12所示激光光源包括：电流调制电路71、半导体激光器72，和准直光学系统73。电流调制电路71根据来自光源驱动电路30的激光调制信号（红色或者蓝色）控制在半导体激光器72中流动的电流，由此调制半导体激光器72的输出光的强度。来自半导体激光器72的激光在准直光学系统73中被转换成平行光束。
[0146] 红色激光光源32是采用具有640nm的发射波长的半导体激光器作为半导体激光器72的组件。蓝色激光光源33是采用具有440nm的发射波长的半导体激光器的组件。
[0147] 图13A示出绿色激光光源31的配置。图13A所示激光光源包括：驱动电路74、红外固态激光器75、第二谐波元件76、声光元件77、准直光学系统78，和会聚光学系统79a和79b。
[0148] 第二谐波元件76供应通过会聚光学系统79a从红外固态激光器75照射的红外激光（1064nm）的第二谐波（532nm）。来自第二谐波元件76的第二谐波束通过会聚光学系统79b而被照射到声光元件77。驱动电路74根据来自光源驱动电路30的激光调制信号（用于绿色）驱动声光元件77，由此调制来自第二谐波元件76的第二谐波束的强度。来自声光元件77的束在准直光学系统78中被转换成平行光束。
[0149] 图13B示出绿色激光光源31的另一配置。图13B所示激光光源包括电流调制电路80、红外半导体激光器81、会聚光学系统82、第二谐波元件83，和准直光学系统84。
[0150] 电流调制电路80根据来自光源驱动电路10的激光调制信号（用于绿色）调制被供应到红外半导体激光器81的电流。来自红外半导体激光器81的红外激光通过会聚光学系统82而被照射到第二谐波元件83中。
[0151] 第二谐波元件83供应所照射的红外激光的第二谐波。来自第二谐波元件83的第二谐波束在准直光学系统84中被转换成平行光束。
[0152] 再次参考图11，沿着来自绿色激光光源31的激光（绿色）的行进方向设置反射镜34，并且二向色棱镜35和36、可变焦点透镜2和扫描装置3被沿着被这个反射镜34反射的激光（绿色）的行进方向按照该次序布置。
[0153] 二向色棱镜35被布置在来自绿色激光光源31的激光（绿色）和来自红色激光光源32的激光（红色）的交叉点处。二向色棱镜35透射来自绿色激光光源31的激光（绿色）并且反射来自红色激光光源32的激光（红色），由此激光（绿色）和激光（红色）被组合。
[0154] 二向色棱镜36被布置在来自二向色棱镜35的组合颜色束（绿色+红色）和来自激光光源33的激光（蓝色）的交叉点处。二向色棱镜36透射来自二向色棱镜35的组合颜色束（绿色+红色）并且反射来自蓝色激光光源33的激光（蓝色），由此束（绿色+红色）和激光（蓝色）被颜色组合。
[0155] 来自二向色棱镜36的组合颜色束（绿色+红色+蓝色）通过可变焦点透镜2而被供应到扫描装置3。
[0156] 扫描装置3包括水平扫描器和垂直扫描器。水平扫描器由例如共振微机械扫描元件构成。共振微机械扫描元件是能够往复扫描的元件。偏转角度是±20度，并且驱动频率是15KHz。为了在此情形中使得能够以15KHz的驱动频率驱动，具有1400μm的直径的矩形反射镜被用作共振微机械扫描元件。
[0157] 垂直扫描器由检流计反射镜构成。检流计反射镜具有例如±15度的偏转角度，并且被60Hz的锯齿波驱动。图像分辨率是水平地640像素和垂直地480像素。屏幕尺寸是水平地290cm和垂直地220cm，并且投影距离为400mm。
[0158] 激光 光 源被 与 扫 描装 置3同 步 化，并 且 发射 时 序 强度（emission timing-intensity）被控制在不大于18.4MHz（54ns）的像素时钟的1/8的时间单位（例如，6ns）。
[0159] 能够通过在红色激光光源32和蓝色激光光源33中的每一个的调制电流上叠加300MHz的谐波电流来加宽这些光源中的每一个的波长宽度。以此方式，能够进一步减小由红色激光和蓝色激光产生的散斑对比度。
[0160] 上述彩色图像投影设备仅仅是一个实例，并且配置能够被适当地更改。例如，可以替代二向色镜而使用二向色棱镜、光纤耦合器或者各种其它光学复用光学系统。
[0161] 每一个激光光源均可以是光纤激光器。
[0162] 诸如光栅MEMS调制器、波导调制器和电光晶体的各种类型的光调制器可以被用作激光强度调制器。
[0163] 声光元件或者电光晶体可以被用作用于水平扫描和垂直扫描的装置。
[0165] 上述示例性实施例中的每一个均是本发明的实例，并且在不偏离本发明的主旨的范围内，每一个示例性实施例的配置均能够被适当地修改。
[0166] 例如，虽然在第一到第三示例性实施例中使用基于散斑对比度计算从可变焦点透镜2到投影面12的距离的距离测量装置，但是可以替代这个距离测量装置而使用利用三角测量的现有距离测量装置（测距装置）。
[0167] 这个距离测量装置（测距装置）包括：发光元件、朝向投影面投影来自发光元件的光的投影透镜、光接收透镜，和被一维地布置的拾取元件。来自发光元件的光在投影面上反射，并且这个反射光然后通过光接收透镜而被供应到被一维地布置的拾取元件。
[0168] 由来自发光元件的光在投影面上形成的亮点的像通过光接收透镜并且在被一维地布置的拾取元件上形成像。能够根据在被一维地布置的拾取元件上的亮点的像的位置根据三角测量原理得到从可变焦点透镜到投影面的距离。
[0169] 当投影面12被光束扫描时，由于投影面12的倾斜或者弯曲状态，可能在显示图像中发生畸变。为了抑制这个图像畸变，可以如在下面描述地配置第三示例性实施例的图像投影设备。
[0170] 利用每一条水平扫描线计算从可变焦点透镜2到投影面12的距离，并且能够因此基于这些距离中的每一个的计算结果检查投影面12在垂直方向上的倾斜度或者曲率。根据投影面12的倾斜度或者曲率，视频信号可以经历用于校正上述图像畸变的过程。更加具体地，距离测量装置9向调制信号产生装置（例如，图11所示光源驱动电路）供应对于每一条水平扫描线计算的距离。调制信号产生装置基于从距离测量装置9供应的每一条水平扫描线的距离信息判断投影面12在垂直方向上的倾斜度或者曲率。根据所判定的投影面12的倾斜度或者曲率，调制信号产生装置使得输入视频信号经历用于校正图像畸变的过程。调制信号产生装置然后基于已经经受这个图像畸变校正的视频信号产生用于调制激光光源的调制信号。
[0171] 在第一示例性实施例的图像投影设备中，还可以如图7所示地配置距离测量装置9。
[0172] 在示例性实施例中的每一个之中的投影面上投影或者显示的图像均包括能够不仅基于诸如图片或者照片的图像数据而且还基于诸如字符、图表和表格的电子数据而在投影面上投影或者显示的图像。
[0173] 在示例性实施例中的每一个的图像投影设备中，可以执行用于在启动之后生成特征数据的过程。更加具体地，当在图3所示图像投影设备中执行预定的输入操作（诸如按下特定按钮）时，控制装置4使可变焦点透镜2的焦距逐步地改变，并且散斑对比度计算装置7基于焦距中的每一个计算散斑对比度值。进而，基于计算结果，散斑对比度计算装置7生成指示散斑对比度与从被可变焦点透镜2会聚的光束的束腰的位置到投影面12的距离的改变相对的改变的特征数据，并且在查找表装置8中保存所生成的特征数据。通过如此在查找表装置8中保存与实际投影面12有关的特征数据，从被可变焦点透镜2会聚的光束的束腰的位置到投影面12的距离能够被更加准确地计算。特征数据能够被反复地使用，只要是投影面12的物体并不改变为另一个物体。
[0174] 另外，散斑对比度根据投影面12的状态（非平坦状态）而改变，并且因此还可以对于被设定为投影面12的每一种类型的物体生成特征数据。在此情形中，必须在启动之后执行输入操作以在距离测量设备中选择特征数据。
[0175] 当是被设定为投影面12的物体的特定物体被限制为例如用于图像投影的屏幕时，与这个屏幕有关的特征数据可以被预先保存在查找表装置8中。
[0176] 除了光栅扫描设备，本发明还能够被应用于矢量扫描设备。
[0177] 在示例性实施例中的每一个之中，用于基于散斑对比度计算从可变焦点透镜2到投影面12的距离的装置（距离测量设备和距离测量方法）均是实现本发明的图像投影设备的主要配置的元件，并且这个元件自身提供一种新颖的配置。
[0178] 在距离测量设备中，激光光源是检测物体（面）的照明装置并且检测的物体（面）的距离是基于查找表装置测量的。
[0179] 距离测量设备的一个方面包括：可变焦点透镜，其中焦距能够改变；扫描装置，其借助被上述可变焦点透镜会聚的光束扫描检测物体面；图像拾取装置，其拾取被上述光束扫描的检测物体面；散斑对比度计算装置，其基于来自上述图像拾取装置的图像数据，计算指示在上述检测物体面中产生的散斑的程度的散斑对比度；和查找表装置，其对于上述可变焦点透镜被设定到的多个不同焦距中的每一个保存特征数据，该特征数据指示上述散斑对比度与从被上述可变焦点透镜会聚的光束的束腰的位置到上述检测物体面的距离的改变相对的改变，该查找表装置参考所保存的特征数据，并且基于在由上述图像拾取装置拾取图像时设定的上述可变焦点透镜的焦距和在上述散斑对比度计算装置中计算的散斑对比度的值，获取从上述可变焦点透镜到上述检测物体面的距离。
[0180] 另外，根据距离测量方法的程序：利用被焦距能够改变的可变焦点透镜会聚的光束扫描检测物体面，并且拾取被光束扫描的检测物体面；基于通过上述图像拾取获得的图像数据，计算指示在上述检测物体面上产生的散斑的程度的散斑对比度；参考保存的特征数据的表格，该特征数据对于上述可变焦点透镜被设定到的多个不同焦距中的每一个，指示上述散斑对比度与从被上述可变焦点透镜会聚的光束的束腰的位置到上述检测物体面的距离的改变对应的改变；并且基于在上述图像拾取时设定的上述可变焦点透镜的焦距和所计算的上述散斑对比度的值，计算从上述可变焦点透镜到上述检测物体面的距离。
[0181] 虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述示例性实施例。本发明的配置和操作存在本领域普通技术人员将会理解的、在并不偏离本发明的主旨的范围内的各种修改。
[0182] 本申请要求基于在2009年10月15日提交的日本专利申请No.2009-238087的优先权利益并且通过引用结合该申请的全部公开。
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